本发明涉及高速电机直驱透平机械的转子自循环冷却系统及冷却方法，其中电机转子设置在壳体内部中间，在电机转子两侧与壳体内壁之间装有轴承座和轴承，在电机转子的外围装有定子线圈，壳体内部空间形成电机内腔。壳体一端设为一级压缩，另一端设为二级压缩，在壳体上分别设置转子内腔冷却进气管和出气管，进气管连接压缩机二级冷却器，出气管连接压缩机一级冷却器。小量冷却气体从二级冷却器进入电机内腔，带走电机转子的热量，进入一级冷却器进行冷却，再通过二级压缩进行压缩，进入二级冷却器冷却后又进入电机内腔，完成小量的电机转子冷却气体自循环过程。本发明能够提高换热效率，综合能耗低，冷却过程无须外部气源、冷却风扇等部件。