JP2008193774A - 電動機の回転子の温度推定装置および温度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石が取り付けられた回転子を備える電動機の回転子の温度をより適正に推定する。
【解決手段】電圧Ｖが大きいほど進角量θｒが小さくなることに基づいて電圧Ｖによって設定された補正係数ｋを進角量θｒに乗じて補正後進角量θｔを設定し（Ｓ１１０，Ｓ１２０）、モータから同一のトルクを出力しているときには進角量が大きいほど回転子の温度が高くなることや、同一の進角量のときにはモータの出力トルクが大きいほど回転子の温度が低くなることに基づいて補正後進角量θｔとトルク指令Ｔｍ＊とによって回転子推定温度Ｔｒを推定する（Ｓ１３０）。これにより、モータの回転子の温度Ｔｒをより適正に推定することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機の回転子の温度推定装置および温度推定方法に関し、詳しくは、永久磁石が取り付けられた回転子と三相交流電流の印加により回転磁界を形成する固定子とを備える電動機の回転子の温度を推定する回転子温度推定装置およびこうした電動機の回転子の温度推定方法に関する。

従来、この種の電動機の回転子の温度推定装置としては、永久磁石が取り付けられた回転子と三相コイルが巻回された固定子とを備える電動機の回転子の回転速度と三相コイルに生じる逆起電力とに基づいて回転子の温度を推定するものが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。この装置では、電動機の回転子が高温になって減磁すると、逆起電力定数が低下することに基づいて回転子の温度を推定している。
特開２００５−１２９１４号公報

永久磁石が取り付けられた回転子を備える三相交流電動機では、上述したように、回転子が高温になると減磁により予定していたトルクを出力することができない場合が生じる。回転子の温度を直接検出することができればよいが、回転子は回転体であることから、直接検出することは困難である。このため、回転子の温度をより適正に推定することが望まれる。

本発明の電動機の回転子の温度推定装置および温度推定方法は、永久磁石が取り付けられた回転子を備える電動機の回転子の温度をより適正に推定することを目的とする。

本発明の電動機の回転子の温度推定装置および温度推定方法は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の第１の電動機の回転子の温度推定装置は、
永久磁石が取り付けられた回転子と三相交流電流の印加により回転磁界を形成する固定子とを備える電動機の前記回転子の温度を推定する回転子温度推定装置であって、
前記固定子に印加される三相交流電流における電圧を検出する電圧検出手段と、
前記永久磁石の磁束方向に対する前記回転磁界の磁束方向の進角量を検出する進角量検出手段と、
前記検出された電圧が高いほど小さくなる補正係数を用いて前記検出された進角量を補正する進角量補正手段と、
前記補正された進角量が大きいほど高くなる傾向に且つ前記電動機のトルク指令が大きいほど低くなる傾向に前記回転子の温度を推定する温度推定手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の第１の電動機の回転子の温度推定装置では、固定子に印加される三相交流電流における電圧が高いほど小さくなる補正係数を用いて永久磁石の磁束方向に対する回転磁界の磁束方向の進角量を補正し、補正した進角量が大きいほど高くなる傾向に且つ電動機のトルク指令が大きいほど低くなる傾向に電動機の回転子の温度を推定する。これは、電動機のトルクに対して進角量も電圧も比例的な関係があること、回転子の温度が高いほど電動機のトルクが小さくなること、電動機から同一のトルクを出力するのに回転子の温度が高いほど進角量が大きくなること、に基づく。したがって、三相交流電流の電圧と進角量とトルク指令とを用いて電動機の回転子の温度をより適正に推定することができる。ここで、進角量は、回転子の回転位置に対して固定子に印加する三相交流電流の位相に基づいて演算することにより検出するものなどを考えることができる。

こうした本発明の第１の電動機の回転子の温度推定装置において、前記電圧検出手段は、前記電動機に三相交流電流を印加するインバータ回路に供給される直流電力の電圧を検出する手段であるものとすることもできる。パルス幅変調（Pulse Width Modulation）により三相交流電流を形成するインバータ回路では三相交流電流の電圧はインバータ回路に供給される直流電力の電圧となるからである。

本発明の第２の電動機の回転子の温度推定装置は、
永久磁石が取り付けられた回転子と三相交流電流の印加により回転磁界を形成する固定子とを備える電動機に所定の電圧の三相交流電流が印加されたときの前記回転子の温度を推定する回転子温度推定装置であって、
前記永久磁石の磁束方向に対する前記回転磁界の磁束方向の進角量を検出する進角量検出手段と、
前記検出された進角量が大きいほど高くなる傾向に且つ前記電動機のトルク指令が大きいほど低くなる傾向に前記回転子の温度を推定する温度推定手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の第２の電動機の回転子の温度推定装置では、永久磁石の磁束方向に対する回転磁界の磁束方向の進角量が大きいほど高くなる傾向に且つ電動機のトルク指令が大きいほど低くなる傾向に回転子の温度を推定する。この本発明の第２の電動機の回転子の温度推定装置では、電動機に所定の電圧の三相交流電流が印加されるから、本発明の第１の電動機の回転子の温度推定装置における三相交流電流の電圧による進角量の補正は不要となる。このため、回転子の温度が高いほど電動機のトルクが小さくなることと電動機から同一のトルクを出力するのに回転子の温度が高いほど進角量が大きくなることとに基づいて電動機の回転子の温度をより適正に推定することができる。

本発明の第１の電動機の回転子の温度推定方法は、
永久磁石が取り付けられた回転子と三相交流電流の印加により回転磁界を形成する固定子とを備える電動機の前記回転子の温度を推定する回転子温度推定方法であって、
前記固定子に印加される三相交流電流における電圧が高いほど小さくなる補正係数を用いて前記永久磁石の磁束方向に対する前記回転磁界の磁束方向の進角量を補正すると共に該補正した進角量が大きいほど高くなる傾向に且つ前記電動機のトルク指令が大きいほど低くなる傾向に前記回転子の温度を推定する、
ことを特徴とする。

この本発明の第１の電動機の回転子の温度推定方法では、固定子に印加される三相交流電流における電圧が高いほど小さくなる補正係数を用いて永久磁石の磁束方向に対する回転磁界の磁束方向の進角量を補正し、補正した進角量が大きいほど高くなる傾向に且つ電動機のトルク指令が大きいほど低くなる傾向に電動機の回転子の温度を推定する。これは、電動機のトルクに対して進角量も電圧も比例的な関係があること、回転子の温度が高いほど電動機のトルクが小さくなること、電動機から同一のトルクを出力するのに回転子の温度が高いほど進角量が大きくなること、に基づく。したがって、三相交流電流の電圧と進角量とトルク指令とを用いて電動機の回転子の温度をより適正に推定することができる。

本発明の第２の電動機の回転子の温度推定方法は、
永久磁石が取り付けられた回転子と三相交流電流の印加により回転磁界を形成する固定子とを備える電動機に所定の電圧の三相交流電流が印加されたときの前記回転子の温度を推定する回転子温度推定方法であって、
前記永久磁石の磁束方向に対する前記回転磁界の磁束方向の進角量が大きいほど高くなる傾向に且つ前記電動機のトルク指令が大きいほど低くなる傾向に前記回転子の温度を推定する、
ことを特徴とする。

この本発明の第２の電動機の回転子の温度推定方法では、永久磁石の磁束方向に対する回転磁界の磁束方向の進角量が大きいほど高くなる傾向に且つ電動機のトルク指令が大きいほど低くなる傾向に回転子の温度を推定する。この本発明の第２の電動機の回転子の温度推定方法では、電動機に所定の電圧の三相交流電流が印加されるから、本発明の第１の電動機の回転子の温度推定方法における三相交流電流の電圧による進角量の補正は不要となる。このため、回転子の温度が高いほど電動機のトルクが小さくなることと電動機から同一のトルクを出力するのに回転子の温度が高いほど進角量が大きくなることとに基づいて電動機の回転子の温度をより適正に推定することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての電動機の回転子の温度推定装置を含む駆動システム２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の温度推定装置を含む駆動システム２０は、図示するように、永久磁石２５が取り付けられた回転子２４と三相コイルＵＶＷが巻回された固定子２６とを有するＰＭ型の同期発電電動機として構成されたモータ２２と、直流電力を三相交流電力に変換してモータ２２の三相コイルＵＶＷに印加するインバータ回路３０と、バッテリ５０からの直流電力を昇圧してインバータ回路３０に供給する昇圧コンバータ４０と、システム全体を制御する電子制御ユニット６０とを備える。

インバータ回路３０は、６個のゲート式のスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）Ｔ１〜Ｔ６と６個のダイオードＤ１〜Ｄ６とにより構成されている。６個のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６は、電力ラインとしての正極母線４４と負極母線４５とに対してソース側とシンク側とになるよう２個ずつペアで配置され、その接続点にモータ２２の三相コイルＵＶＷの各相が続されている。この６個のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６には、６個のダイオードＤ１〜Ｄ６が電圧を保持するよう逆並列接続されている。したがって、電力ラインの正極母線４４と負極母線４５との間に電圧が作用している状態で対をなすスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のオン時間の割合を制御することにより三相コイルＵＶＷに回転磁界を形成でき、モータ２２を回転駆動することができる。なお、正極母線４４と負極母線４５の間には電圧を平滑する平滑コンデンサ４６も取り付けられている。

昇圧コンバータ４０は、正極母線４４と負極母線４５とに対して平滑コンデンサ４６と並列するよう直列に配置された２個のゲート式のスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）Ｔ７，Ｔ８と、スイッチング素子Ｔ７，Ｔ８に対して並列に電圧を保持するよう取り付けられた２個のダイオードＤ７，Ｄ８と、２個のスイッチング素子Ｔ７，Ｔ８の中間とバッテリ５０の正極側に取り付けられたコイル４２と、により構成されており、２個のスイッチング素子のスイッチング動作によりバッテリ５０の電圧を昇圧してインバータ回路３０に供給する。

電子制御ユニット６０は、ＣＰＵ６２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ６２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ６４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ６６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。電子制御ユニット６０には、モータ２２の回転子２４の回転位置を検出する回転位置検出センサ２８からのモータ２２の回転子２４の回転位置θｍやモータ２２の三相コイルＵＶＷのＵ相，Ｖ相に流れる相電流を検出する電流センサ３２，３３からの相電流Ｉｕ，Ｉｖ，正極母線４４と負極母線４５とに取り付けられた電圧センサ４７からの電圧Ｖなどが入力ポートを介して入力されており、電子制御ユニット６０からは、インバータ回路３０のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６へのスイッチング制御信号や昇圧コンバータ４０のスイッチング素子Ｔ７，Ｔ８へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。また、電子制御ユニット６０は、図示しない他の電子制御ユニットと通信をしており、モータ２２から出力すべきトルクとしてのトルク指令Ｔｍ＊を通信ポートを介して受信している。電子制御ユニット６０は、こうして受信したトルク指令Ｔｍ＊に相当するトルクをモータ２２から出力するために必要な正極母線４４と負極母線４５との間の電圧を設定すると共に設定した電圧となるよう電圧センサ４７からの電圧Ｖを用いて昇圧コンバータ４０のスイッチング素子Ｔ７，Ｔ８をスイッチング制御し、トルク指令Ｔｍ＊に相当するトルクをモータ２２から出力するよう回転位置センサ２８からの回転子の回転位置と電流センサ３２，３３からの相電流Ｉｕ，Ｉｖとを用いてインバータ回路３０のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６をスイッチング制御する。電子制御ユニット６０では、回転位置検出センサ２８からの回転子２４の回転位置θｍや電流センサ３２，３３からの相電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて回転子２４の永久磁石２５の磁束方向に対する回転磁界の磁束方向の角度である進角量θｒも演算している。

ここで、駆動システム２０のうち電動機の回転子の温度推定装置のハード構成としては、回転位置検出センサ２８，電流検出センサ３２，３３，電圧センサ４７，電子制御ユニット６０が該当する。

次に、こうして構成された電動機の回転子の温度推定装置の動作について説明する。図２は、電子制御ユニット６０で実行される回転子温度推定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば、数ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。

回転子温度推定処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット６０のＣＰＵ６２は、まず、モータ２２の回転子２４の永久磁石２５の磁束方向に対する固定子２６の三相コイルＵＶＷに三相交流電流を印加することにより形成される回転磁界の磁束方向の角度としての進角量θｒや電圧センサ４７により検出されるインバータ回路３０に供給される電圧Ｖ，モータ２２の駆動指令としてのトルク指令Ｔｍ＊など回転子２４の温度を推定するのに必要なデータを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。ここで、進角量θｒは、回転位置検出センサ２８からの回転子２４の回転位置θｍや電流センサ３２，３３からの相電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて演算されてＲＡＭ６６の所定領域に記憶されているものを入力するものとした。また、トルク指令Ｔｍ＊は、図示しない他の電子制御ユニットから送信されたものを通信ポートを介して入力するものとした。

こうしてデータを入力すると、電圧Ｖに基づいて進角量θｒを補正するための補正係数ｋを設定すると共に（ステップＳ１１０）、設定した補正係数ｋを進角量θｒに乗じて補正後進角量θｔを計算する（ステップＳ１２０）。ここで、補正係数ｋは、モータ２２の出力トルクに対して進角量θｒも電圧Ｖも比例的な関係にあることから、電圧Ｖと進角量θｒの関係は、電圧Ｖが大きいほど進角量θｒが小さくなることに基づいて設定されている。この関係は、電圧Ｖが大きくなるほど小さくなるよう補正係数ｋを設定する関係となる。実施例では、補正係数ｋは、電圧Ｖと補正係数ｋとの関係を予め設定して補正係数設定用マップとしてＲＯＭ６４に記憶しておき、電圧Ｖが与えられるとマップから対応する補正係数ｋを導入することにより設定するものとした。補正係数設定用マップの一例を図３に示す。

続いて、計算した補正後進角量θｔとトルク指令Ｔｍ＊とに基づいて回転子推定温度Ｔｒを設定し（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。回転子推定温度Ｔｒは、モータ２２から同一のトルクを出力しているときには補正後進角量θｔが大きいほど高くなることや、同一の補正後進角量θｔのときにはモータ２２の出力トルクが大きいほど低くなることに基づいて設定されている。補正後進角量θｔと回転子推定温度Ｔｒとの関係の一例を図４に示し、トルク指令Ｔｍ＊と回転子推定温度Ｔｒとの関係の一例を図５に示す。実施例では、回転子推定温度Ｔｒは、補正後進角量θｔとトルク指令Ｔｍ＊と回転子推定温度Ｔｒとの関係を予め実験などにより求めて回転子推定温度設定用マップとしてＲＯＭ６４に記憶しておき、補正後進角量θｔとトルク指令Ｔｍ＊とが与えられるとマップから対応する回転子推定温度Ｔｒを導出することにより設定するものとした。こうして推定された回転子推定温度Ｔｒは、モータ２２の制御に用いられる。

以上説明した実施例の電動機の回転子の温度推定装置によれば、電圧Ｖが大きいほど進角量θｒが小さくなることに基づいて電圧Ｖによって設定された補正係数ｋを進角量θｒに乗じて補正後進角量θｔを設定し、モータ２２から同一のトルクを出力しているときには補正後進角量θｔが大きいほど回転子２４の温度が高くなることや、同一の補正後進角量θｔのときにはモータ２２の出力トルクが大きいほど回転子２４の温度が低くなることに基づいて補正後進角量θｔとトルク指令Ｔｍ＊とによって回転子推定温度Ｔｒを推定するから、モータ２２の回転子２４の温度Ｔｒをより適正に推定することができる。これにより、モータ２２をより適正に制御することができる。

実施例の電動機の回転子の温度推定装置では、バッテリ５０からの直流電力を昇圧コンバータ４０により昇圧してインバータ回路３０に供給する構成としたため、インバータ回路３０に供給される直流電力の電圧Ｖを用いて回転子推定温度Ｔｒを推定したが、安定した電圧の直流電力をインバータ回路３０に供給する場合には、電圧Ｖの変化が生じないため、電圧Ｖを用いることなく回転子推定温度Ｔｒを設定するものとしてもよい。即ち、図２の回転子温度推定処理ルーチンのステップＳ１１０，Ｓ１２０の処理をなくすと共にステップＳ１３０で補正後進角量θｔに代えて進角量θｒを用いて回転子推定温度Ｔｒを設定するものとすればよい。

実施例の電動機の回転子の温度推定装置では、回転位置検出センサ２８からの回転子２４の回転位置θｍや電流センサ３２，３３からの相電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて進角量θｒを演算するものとしたが、他の手法により進角量θｒを検出したり演算するものとしても構わない。

実施例では、電動機の回転子の温度推定装置の形態としたが、電動機の回転子の温度推定方法の形態としても良いのは勿論である。

ここで、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータ２２が「電動機」に相当し、電圧センサ４７が「電圧検出手段」に相当し、回転位置検出センサ２８と電流センサ３２，３３と回転位置検出センサ２８からの回転子２４の回転位置θｍや電流センサ３２，３３からの相電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて進角量θｒを演算する電子制御ユニット６０とが進角量検出手段に相当し、電圧Ｖが高いほど小さくなるよう補正係数ｋを設定すると共に設定した補正係数ｋと進角量θｒとを乗じて補正後進角量θｔを設定する図２の回転子温度推定処理ルーチンのステップＳ１１０，Ｓ１２０の処理を実行する電子制御ユニット６０が「進角量補正手段」に相当し、補正後進角量θｔが大きいほど高くなるようにトルク指令Ｔｍ＊が大きいほど低くなるよう回転子推定温度Ｔｒを設定する図２の回転子温度推定処理ルーチンのステップＳ１３０の処理を実行する電子制御ユニット６０が「温度推定手段」に相当する。ここで、「電動機」としては、ＰＭ型の同期発電電動機として構成されたモータ２２に限定されるものではなく、ＰＭ型の同期電動発電機として構成された発電機とするなど、永久磁石が取り付けられた回転子と三相交流電流の印加により回転磁界を形成する固定子とを備える電動機であれば如何なるタイプの電動機としても構わない。
「電圧検出手段」としては、インバータ回路３０に供給される電圧Ｖを検出する電圧センサ４７に限定されるものではなく、モータ２２の三相コイルＵＶＷに印加される交流電流の電圧を検出するものなど、固定子に印加される三相交流電流における電圧を検出するものであれば如何なるものとしても構わない。「進角量検出手段」としては、回転位置検出センサ２８からの回転子２４の回転位置θｍや電流センサ３２，３３からの相電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて進角量θｒを演算するものに限定されるものではなく、永久磁石の磁束方向に対する回転磁界の磁束方向の進角量を検出するものであれば如何なるものとしても構わない。なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための最良の形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電動機を含む駆動装置の製造産業などに利用可能である。

本発明の一実施例としての電動機の回転子の温度推定装置を含む駆動システム２０の構成の概略を示す構成図である。 実施例の電子制御ユニット６０で実行される回転子温度推定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。 補正係数設定用マップの一例を示す説明図である。 補正後進角量θｔと回転子推定温度Ｔｒとの関係の一例を示す説明図である。 トルク指令Ｔｍ＊と回転子推定温度Ｔｒとの関係の一例を示す説明図である。

符号の説明

２０ 駆動システム、２２ モータ、２４ 回転子、２５ 永久磁石、２６ 固定子、２８ 回転位置検出センサ、３０ インバータ回路、３２，３３ 電流センサ、４０ 昇圧コンバータ、４２ コイル、４４ 正極母線、４５ 負極母線、４６ 平滑コンデンサ、４７ 電圧センサ、５０ バッテリ、６０ 電子制御ユニット、６２ ＣＰＵ、６４ ＲＯＭ、６６ ＲＡＭ、Ｔ１〜Ｔ８ スイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、ＵＶＷ 三相コイル。

Claims (5)

1. 永久磁石が取り付けられた回転子と三相交流電流の印加により回転磁界を形成する固定子とを備える電動機の前記回転子の温度を推定する電動機の回転子の温度推定装置であって、
   前記固定子に印加される三相交流電流における電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記永久磁石の磁束方向に対する前記回転磁界の磁束方向の進角量を検出する進角量検出手段と、
   前記検出された電圧が高いほど小さくなる補正係数を用いて前記検出された進角量を補正する進角量補正手段と、
   前記補正された進角量が大きいほど高くなる傾向に且つ前記電動機のトルク指令が大きいほど低くなる傾向に前記回転子の温度を推定する温度推定手段と、
   を備える電動機の回転子の温度推定装置。
2. 前記電圧検出手段は、前記電動機に三相交流電流を印加するインバータ回路に供給される直流電力の電圧を検出する手段である請求項１記載の電動機の回転子の温度推定装置。
3. 永久磁石が取り付けられた回転子と三相交流電流の印加により回転磁界を形成する固定子とを備える電動機に所定の電圧の三相交流電流が印加されたときの前記回転子の温度を推定する電動機の回転子の温度推定装置であって、
   前記永久磁石の磁束方向に対する前記回転磁界の磁束方向の進角量を検出する進角量検出手段と、
   前記検出された進角量が大きいほど高くなる傾向に且つ前記電動機のトルク指令が大きいほど低くなる傾向に前記回転子の温度を推定する温度推定手段と、
   を備える電動機の回転子の温度推定装置。
4. 永久磁石が取り付けられた回転子と三相交流電流の印加により回転磁界を形成する固定子とを備える電動機の前記回転子の温度を推定する電動機の回転子の温度推定方法であって、
   前記固定子に印加される三相交流電流における電圧が高いほど小さくなる補正係数を用いて前記永久磁石の磁束方向に対する前記回転磁界の磁束方向の進角量を補正すると共に該補正した進角量が大きいほど高くなる傾向に且つ前記電動機のトルク指令が大きいほど低くなる傾向に前記回転子の温度を推定する、
   ことを特徴とする電動機の回転子の温度推定方法。
5. 永久磁石が取り付けられた回転子と三相交流電流の印加により回転磁界を形成する固定子とを備える電動機に所定の電圧の三相交流電流が印加されたときの前記回転子の温度を推定する電動機の回転子の温度推定方法であって、
   前記永久磁石の磁束方向に対する前記回転磁界の磁束方向の進角量が大きいほど高くなる傾向に且つ前記電動機のトルク指令が大きいほど低くなる傾向に前記回転子の温度を推定する、
   ことを特徴とする電動機の回転子の温度推定方法。

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