熱繼電器一般由加熱元件、控制觸頭和動作系統、復位機構、整定電流裝置和溫度補償元件等部分組成。它由流入熱元件的電流產生熱量，使有不同膨脹系數的雙金屬片發生形變，當形變達到一定距離時，就推動連桿動作，使控制電路斷開，從而使接觸器失電，主電路斷開，實現電動機的過載保護。
電動機在實際運行中，如拖動生產機械進行工作過程中，若機械出現不正常的情況或電異常使電動機遇到過載，則電動機轉速下降，繞組中的電流將增大，使電動機的繞組溫度升高；若過載電流不大且過載的時間較短，電動機繞組不超過允許溫升，這種過載是允許的；但若過載時間長，過載電流大，電動機繞組的溫升就會超過允許值，使電動機繞組老化，縮短電動機的使用壽命，嚴重時甚至會使電動機繞組燒毀。所以，這種過載是電動機不能承受的。熱繼電器就是利用電流的熱效應原理，在出現電動機不能承受的過載時切斷電動機電路，為電動機提供過載保護的保護電器。其工作原理示意圖如圖1，其結構如圖2所示。
使用熱繼電器對電動機進行過載保護時，將熱元件與電動機的定子繞組串聯，將熱繼電器的常閉觸頭串聯在交流接觸器的電磁線圈的控制電路中，並調節整定電流調節旋鈕，使人字形撥桿與推桿相距一適當距離。當電動機正常工作時，通過熱元件的電流即電動機的額定電流，熱元件發熱，雙金屬片受熱後彎曲，使推桿剛好與人字形撥桿接觸，而又不能推動人字形撥桿。常閉觸頭處於閉合狀態，交流接觸器保持吸合，電動機正常運行。
若電動機出現過載情況，繞組中電流增大，通過熱繼電器元件中的電流增大使雙金屬片溫度升得更高，彎曲程度加大，推動人字形撥桿，撥桿推動常閉觸頭，使觸頭斷開而斷開交流接觸器線圈電路，使接觸器釋放、切斷電動機的電源，電動機停車而得到保護。
使用熱繼電器對電動機進行過載保護時，將熱元件與電動機的定子繞組串聯，將熱繼電器的常閉觸頭串聯在交流接觸器的電磁線圈的控制電路中，並調節整定電流調節旋鈕，使人字形撥桿與推桿相距一適當距離。當電動機正常工作時，通過熱元件的電流即電動機的額定電流，熱元件發熱，雙金屬片受熱後彎曲，使推桿剛好與人字形撥桿接觸，而又不能推動人字形撥桿。常閉觸頭處於閉合狀態，交流接觸器保持吸合，電動機正常運行。
若電動機出現過載情況，繞組中電流增大，通過熱繼電器元件中的電流增大使雙金屬片溫度升得更高，彎曲程度加大，推動人字形撥桿，撥桿推動常閉觸頭，使觸頭斷開而斷開交流接觸器線圈電路，使接觸器釋放、切斷電動機的電源，電動機停車而得到保護。
一、加熱元件
這是熱繼電器的心臟，1、直熱式熱繼電器就是利用雙金屬片本身作熱元件，就是把雙金屬片當做熱元件，讓電硫直接通過它。因為雙金屬片本身具有一定電阻，所以當電流通過時，它也能產生熱量。由於雙金屬片兼作感測元件和加熱元件.因此，這種加熱方式具有結構簡單、體積小、節省材料、發熱時間常數小和反映溫度變化比較迅速等特點。
2、間接加熱是通過在電的方面與雙金屬片無聯系的加熱元件產生熱量。加熱元件為絲狀或帶狀.環繞在雙金屬片周圍。由於加熱元件產生的熱量要經過空氣傳播給雙金屬片，因而發熱時間常數大.反映溫度變化的速率也比較慢。
3、復合加熱實際上是直接加熱與間接加熱兩種形式的結合，復合加熱的發熱時間常數介於以上兩種形式之間.其電阻值可依靠並聯或串聯不同電阻而很方便地進行調整，且又兼具直接加熱和間接加熱的長處，所以獲得瞭廣泛的應用。
4、電流互感器加熱主要用於大容量的熱繼電器以及重載起動的熱繼電器。
二、控制觸頭和動作系統
熱過載繼電器是電動機保護應用最廣的電氣元件。在使用過程中，客戶常常需要停止按鈕功能來驅動常閉觸頭斷開以實現特定的控制功能或緊急斷電預防安全事故的發生。目前，應用較為廣泛的結構是彈簧式動觸頭，電動機過載後，常閉觸頭斷開，電動機停車後，熱繼電器雙金屬片冷卻復位，常閉觸頭的動觸頭在彈簧的作用下會自動復位。但是傳統的彈簧式動觸頭彈簧容易掉落，引起輔助觸頭不通電，導致熱繼無法使用。現有更為保險的做法是將彈簧式動觸頭升級為片簧式動觸頭，將接觸橋設置成片簧式接觸橋，使得動觸頭在與靜觸頭接觸時，產生的震動更大，由於運動慣性和碰撞的影響，片簧式接觸橋產生動態彈性變形，在不同動態瞬間，原為平直的片簧式接觸橋將具有不同的曲率從而產生屈伸 運動，進一步帶動球形動觸頭相對於靜觸頭產生摩擦滾動，使得表面的膜電阻更為充分的破壞，保證接觸導通的效果，提高設備的可靠性。
三、復位機構和斷相保護
熱元件受熱彎曲後，推動出發裝置使熱繼電器動作後，主回路電流被切斷瞭。雙金屬片一邊散熱一邊恢復原裝，顯然，這是需要時間的，熱繼電器的復位有兩種方式，手動和自動。手動復位一般不小於5min,自動復位不大於10min。
復位方式可通過復位按鈕來選擇，在正常狀態下，當復位按鈕指向A（自動復位）時，NC閉合，NO斷開；在脫扣狀態下，當復位按鈕指向A時，NC斷開，NO閉合。電動機斷電停車後，動觸頭不能復位。必須按動復位按鈕後動觸頭方能復位。此時熱繼電器為手動復位狀態。若電動機過載是故障性的，為瞭避免再次輕易地啟動電動機，熱繼電器宜采用手動復位方式。手動復位狀態下，采用復位原理一樣。若要將熱繼電由手動復位方式調至自動復位方式，隻需將復位按鈕向A（自動復位）即可。
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有些型號的熱繼電器還具有斷相保護功能。其結構示意圖如下圖所示。熱繼電器的斷相保護功能是由內、外推桿組成的差動放大機構提供的。當電動機正常工作時，通過熱繼電器熱元件的電流正常，內外兩推桿均向前移至適當位置；當出現電源相斷線而造成缺相時，該相電流為零，該相的雙金屬片冷卻復位，使內推桿向右移動，另兩相的雙金屬片因電流增大而彎曲程度增大，使外推桿更向左移動，由於差動放大作用，在出現斷相故障後很短的時間內就推動常閉觸頭使其斷開，使交流接觸器釋放，電動機斷電停車而得到保護。
四、整定電流裝置和溫度補償
整定電流是指長期通過發熱元件而不到熱繼電器松祚的最大電流，當發熱元件中通過的電流超過整定電流值的20%時，熱繼電器應在20min內動作。熱繼電器的整定電流大小可通過整定電流旋鈕來改變。選用和整定熱繼電器時一定要使整定電流值與電動機的額定電流一致。
一種高精度的熱過載繼電器電流整定結構包括支座(1)、補償雙金(3)、調節螺釘 (4)和整定凸輪(5)。
熱過載繼電器是電動機保護應用最廣的電氣元件。在使用過程中，客戶需要根據電動機的實際工作情況來調節熱過載繼電器的整定電流值。若熱過載繼電器整定精度不高，則易使電動機產生非正常停機或過熱燒毀等故障。
人字形撥桿的左臂也用雙金屬片制成，當環境溫度發生變化時，主電路中的雙金屬片會產生一定的變形彎曲，這時人字形撥桿的左臂也會發生同方向的變形彎曲，從而使人字形撥桿與推桿之間的距離基本保持不變，保證熱繼電作的準確性。這種作用稱溫度補償作用。
我們可以從下圖中看到具體是怎麼通過補償雙金解決傳統結構的電流整體精度不高的問題
在補償雙金上設鉚接孔和螺紋孔，鉚接孔與鉚接凸臺匹配，螺紋孔與調節螺釘螺紋連接。在補償雙金上設計與鉚接凸臺配合的特征孔即鉚接孔，使補償雙金與U形件鉚接固定。
補償雙金組件在支座臺階平面和熱鉚成型特征的作用下，保證瞭定位精度，從而提高整定凸輪操作產生的電流整定精度，解決傳統結構的電流整定精度不高的問題。