CN110740930B - 船舶推进装置 - Google Patents

Abstract

提供一种能够使用不需要特别定制的变频器的2台马达来进行高效的驱动控制的廉价的船舶推进装置。在船舶推进装置(1)中，马达(A)与行星齿轮机构(5)的齿圈连结，马达(B)经由离合器(15)来与太阳轮连结，螺旋桨(6)与行星轮(P)的行星架(C)连结。控制部(30)以如下方式进行控制：在螺旋桨的低输出区域，仅利用马达(A)驱动螺旋桨，在高输出区域，利用马达(A)和马达(B)驱动螺旋桨。不需要大型的特别定制的变频器，能够有效利用设置空间，利用2个马达来进行与螺旋桨输出相应的高效控制，由此能够削减驱动电动机的发电机的燃料消耗量。

Description

船舶推进装置

技术领域

本发明涉及一种以马达(电动机)为驱动源的电推进的船舶推进装置，特别是涉及一种具备借助行星齿轮机构来驱动螺旋桨的2台马达从而能够进行高效的驱动控制的廉价的船舶推进装置。

背景技术

在下述专利文献1中公开了一种船舶推进装置的发明。该发明的船舶推进装置具有分别具有输入轴的作为船舶用推进装置的内燃机和电动发电机以及设置于输出轴的螺旋桨，并具备将这两根输入轴与输出轴进行连接的行星齿轮机构的齿轮箱。根据该发明，将负载转矩与基准值进行比较，根据其结果来控制电动发电机的发电量，并且控制电动发电机的辅助输出。根据该发明，能够得到以下效果：将推进船舶的内燃机的输出转矩保持为固定，提高燃烧消耗率。

在下述专利文献2中公开了一种可变速装置的发明。该发明的可变速装置是泵等一般工业机械中的可变速装置，公开了使用行星齿轮且2个输入轴、1个输出轴的结构例和1个输入轴、2个输出轴的结构例。各轴的转速均可变，作为变速机构具备液力耦合器，通过将行星齿轮与液力耦合器进行组合，能够使效率提高。另外，设置有能够控制滑移率的离合器以改变转速范围。根据该发明，能够容易地进行最优设计并将效率提高到现有效率以上。

在专利文献3中公开了一种船舶推进装置的发明。该发明的船舶装置具有通过变频器进行旋转控制的副电动机以及通过滑动离合器(slip clutch)进行旋转控制的电动机这两个电动机，以驱动螺旋桨。在螺旋桨转速未达到规定转速的情况下，通过小容量的通用变频器控制低输出的副电动机来使螺旋桨旋转。此时，在主电动机驱动系统中，切断开关离合器(on-off clutch)，由此不向滑动离合器输入轴传递旋转。在螺旋桨转速变为规定转速以上的情况下，将驱动源从副电动机切换到主电动机并接合开关离合器，通过滑动离合器控制转速来使螺旋桨旋转。

另外，在现有的船舶推进装置中，在采用了与变距螺旋桨(variable pitchpropeller)相比不需要控制且廉价的定距螺旋桨的情况下，作为将螺旋桨的转速在从0到额定转速的整个范围内进行控制来使推进力可变的技术，已知如上述的专利文献3那样的利用电动机驱动进行的电推进。在利用电动机驱动进行的电推进中，需要对电动机进行可变速控制以改变螺旋桨的转速，为此需要变频器。为了能够得到可驱动船舶的螺旋桨那样的高输出且使船舶的船内电源稳定化，需要如滤波器那样的谐波抑制单元，具有这种谐波抑制单元的变频器不能作为通用品来对待，而是不得不作为特别定制品来获取，价格昂贵。因此，存在以下现状：与将螺旋桨与内燃机直接连接的船舶推进装置相比，电推进的需求少。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5830309号公报

专利文献2：日本专利第5778844号公报

专利文献3：日本专利第5942061号公报

发明内容

发明要解决的问题

专利文献1所记载的船舶推进装置使用内燃机，该内燃机能够任意地变速，与此相对，在内燃机与螺旋桨之间插入变速机构的行星齿轮会导致效率恶化与齿轮相应的量。在本文献中没有记载以下手法：通过对内燃机和马达使用行星齿轮，来在螺旋桨的整个转速范围内高效地进行控制。

根据专利文献2所记载的可变速装置，在仅采用行星齿轮作为变速机构的情况下，当使输入轴为固定速度时，不能将螺旋桨的转速在从0到额定转速的整个范围内高效地进行控制，因此，作为变速机构，使用液力耦合器、能够控制滑移率的滑动离合器，但是液力耦合器和滑动离合器都会产生转差损耗(slip loss)，因此不能进行高效的控制。

根据专利文献3所记载的船舶推进装置，虽然是电动机驱动进行的电推进，但不需要如前所述的作为特别定制品的变频器，然而，由于是在运转时在高载荷区域中利用滑动离合器控制主电动机的转速来传递给螺旋桨的结构，因此存在产生转差损耗从而效率变差的问题。

本发明用于解决以上说明的现有技术的问题，其目的在于提供一种能够通过采用以不需要昂贵的作为特别定制品的变频器的2台马达为驱动源并借助行星齿轮机构驱动螺旋桨的构造来高效地进行驱动控制的廉价的船舶推进装置。

用于解决问题的方案

第一发明所记载的船舶推进装置的特征在于，具备：

行星齿轮机构，其具有相互卡合的齿圈、太阳轮以及搭载于行星架的行星轮；

第一马达，其与所述齿圈、所述太阳轮以及所述行星架中的任一个构件连接，由变频器驱动所述第一马达；

第二马达，其与所述齿圈、所述太阳轮以及所述行星架中的未连接于所述第一马达的构件连接，以固定速度被驱动；以及

螺旋桨，其与所述齿圈、所述太阳轮以及所述行星架中的未连接于所述第一马达及所述第二马达的构件连接。

第二发明所记载的船舶推进装置的特征在于，在第一发明所记载的船舶推进装置中，

所述第一马达与所述齿圈连接，所述第二马达与所述太阳轮连接，所述螺旋桨与所述行星架连接。

第三发明所记载的船舶推进装置的特征在于，在第二发明所记载的船舶推进装置中，

具有设置于所述第二马达的离合器以及设置于所述离合器与所述太阳轮之间的制动器。

第四发明所记载的船舶推进装置的特征在于，在第二发明所记载的船舶推进装置中，

具有设置于所述第二马达的离合器以及设置于所述离合器与所述太阳轮之间的防反转机构。

第五发明所记载的船舶推进装置的特征在于，在第一发明～第四发明中的任一项所记载的船舶推进装置中，

具有控制部，所述控制部以如下方式进行控制：在所述螺旋桨的输出相对小的低输出区域，仅利用所述第一马达来驱动所述螺旋桨，在所述螺旋桨的输出相对大的高输出区域，利用所述第一马达和所述第二马达来驱动所述螺旋桨。

发明的效果

根据第一发明和第二发明所记载的船舶推进装置，能够得到如下效果。即，具有滤波器等谐波抑制单元的作为特别定制品的变频器尺寸大，需要确保相应的设置空间，但是以固定速度驱动的第二马达不需要作为特别定制品的变频器，从而不需要为此确保空间，该空间可以用作其它用途(例如，如果是作业船则是放置货物的空间等)。另外，使用2个马达来进行与螺旋桨输出相应的高效的控制，由此能够削减驱动电动机的发电机的燃料消耗量。

根据第三发明所记载的船舶推进装置，在第二马达处设置有离合器，在离合器与太阳轮之间设置有制动器，因此螺旋桨的驱动动力不会中断，能够稳定地航行。

根据第四发明所记载的船舶推进装置，在第二马达处设置有离合器，在离合器与太阳轮之间设置有防反转机构，因此螺旋桨的驱动动力不会中断，能够稳定地航行，并且能够将螺旋桨仅向正旋转方向进行驱动。

根据第五发明所记载的船舶推进装置，在低输出区域仅利用第一马达来驱动螺旋桨，在高输出区域利用第一马达和第二马达来驱动螺旋桨，因此能够进行与螺旋桨输出相应的高效的控制，能够进一步削减驱动电动机的发电机的燃料消耗量。

附图说明

图1是作为本发明的实施方式的船舶推进装置的概要结构图。

图2是实施方式的船舶推进装置的驱动系统的概要结构图，是示出低速时的驱动力传递状况的图。

图3是实施方式的船舶推进装置的驱动系统的概要结构图，是示出高速时的驱动力传递状况的图。

图4是示出太阳型(solar)的行星齿轮机构、行星型的行星齿轮机构以及将太阳型的行星齿轮机构与行星型的行星齿轮机构进行组合而成的差动型的行星齿轮机构的各构造的示意图。

图5是示出数值例中的太阳型的行星齿轮机构的齿圈所分担的动力等以及行星型的行星齿轮机构的太阳轮所负担的动力等的一例、以示出在差动型的行星齿轮机构中齿圈和太阳轮所分担的动力比率的一例的计算例的表图。

图6是示出实施方式的舶推进装置的螺旋桨输出与轴转速之间的关系的图表。

图7是示出实施方式的舶推进装置的螺旋桨转速与螺旋桨输出之间的关系等的图表。

图8是示出实施方式的舶推进装置和比较例的船舶推进装置的螺旋桨转速与发电机电力量之间的关系的图表。

图9是作为本发明的第二实施方式的船舶推进装置的概要结构图。

图10是作为本发明的第三实施方式的船舶推进装置的驱动系统的概要结构图，是示出低速时的驱动力传递状况的图。

具体实施方式

参照图1～图10来说明本发明的实施方式。

如图1所示，本实施方式的船舶推进装置1涉及到以传递动力的垂直轴2为中心使水平的螺旋桨轴3回旋来设定推进方向的所谓全向推进器(azimuth thruster)，特别涉及到将2台马达(电动机)A、B经由齿轮箱4内的行星齿轮机构5来与螺旋桨轴3连接的、能够与螺旋桨6的输出相应地切换马达A、B来进行高效的控制的船舶推进装置1。

主要参照图1～图5来说明本实施方式的船舶推进装置1的结构。

如图1所示，在船舶的船尾的底板7的上表面安装有减速器8。在减速器8的内部设置有水平的传动轴9、设置于传动轴9的大致中央部分的下方的垂直轴、以及将垂直轴2的一端侧(上端侧)与传动轴9进行连动连结的减速齿轮10。

如图1所示，在底板7的下表面侧，在船舶的下方以能够回旋的方式安装有撑杆11和壳体12。能够利用未图示的回旋驱动机构使撑杆11和壳体12回旋。

如图1所示，垂直轴2贯通底板7和船舶的船底后配设于撑杆11和壳体12内，在垂直轴2的另一端侧(下端侧)，经由变向机构13连结着水平的螺旋桨轴3的一端侧。螺旋桨轴3的另一端侧突出到壳体12之外，螺旋桨6安装于螺旋桨轴3的另一端侧。螺旋桨6是定距螺旋桨。此外，在壳体12上安装有包围螺旋桨6的大致圆筒形的管道14。

如图1所示，在船舶的内部设置有使第一输入轴21、第二输入轴22以及输出轴23向外侧突出的齿轮箱4。输出轴23与减速器8的传动轴9的端部连结。

在图1中示出的齿轮箱4的内部收纳有如图2和图3所示的行星齿轮机构5。行星齿轮机构5具备齿圈(ring gear)R、太阳轮(sun gear)S以及搭载于行星架(carrier)C的行星轮(plante gear)P，这三种齿轮相互啮合。另外，在齿圈R设置有外齿，驱动齿轮D与外齿啮合。

如图2和图3所示，第一输入轴21的一端与驱动齿轮D连结。另外，第二输入轴22的一端与太阳轮S连结。另外，输出轴23的一端与搭载了行星轮P的行星架C连结。第一输入轴21的另一端与作为第一马达的马达A连结。另外，第二输入轴22的另一端经由离合器15来与作为第二马达的马达B连结。在第二输入轴22处，在离合器15与太阳轮S之间设置有制动器16。图2和图3所示的离合器15和制动器16设置于图1中示出的齿轮箱4的内部。

如图2和图3所示，该行星齿轮机构5是齿圈R、太阳轮S、行星轮P以及行星架C全部能够动作的差动型的行星齿轮机构。当如图2所示那样将离合器15设为断开(OFF)、将制动器16设为启动(ON)来固定太阳轮S时，如果马达A经由驱动齿轮D来转动齿圈R，则行星轮P和行星架C转动，从而设置了螺旋桨6的输出轴23转动。另外，在如图3所示那样将离合器15设为接合(ON)、将制动器16设为关闭(OFF)的状态下，马达A通过驱动齿轮D来转动齿圈R，马达B转动太阳轮S，由此，行星轮P和行星架C转动，从而设置了螺旋桨6的输出轴23转动。运转的详情之后叙述，但是在低速时如图2所示那样仅利用马达A进行运转，在高速时降低马达A的转速并且解除制动器16且接合离合器15，以固定速度运转马达B并且利用马达A来调整运转速度。

如图1所示，马达A与齿轮箱4的第一输入轴21连结。马达A是由包括用于应对谐波的滤波器的通用的变频器17来控制的变频马达。在此，通用的变频器17是指由变频器制造商作为标准产品提供的变频器，能够利用一般可得到的容量范围内的变频器。马达A虽然是变频器控制，但是只要是通用的变频器17即可，因此价格便宜，由于滤波器也小因此板尺寸比较小，设置空间也小。

如图1所示，在变频器17上连接有电阻器18，螺旋桨6作为制动器16来发挥作用，在马达A发电的情况下，由电阻器18吸收能量。

如图1所示，变频器17与配电板19连接，配电板19与连接有1台以上的主发电机20的供电系统连接。

如图1所示，马达B与齿轮箱4的第二输入轴22连结。马达B如图2和图3所示那样具备起动器25(起动开关(starter switch))，是当利用该起动器25起动时被三相交流以固定速度驱动的交流马达。

如图2和图3所示，本实施方式的船舶推进装置1具备控制部30。该控制部30与直接或间接地测量螺旋桨转速的未图示的转速传感器连接，构成为从转速传感器获取螺旋桨转速的测量值。

如图2和图3所示，控制部30与马达A的变频器17、马达B的起动器25、制动器16以及离合器15连接，能够基于获取到的螺旋桨转速来控制这些构件。

图4是示出太阳型的行星齿轮机构5a、行星型的行星齿轮机构5b以及差动型的行星齿轮机构5的各构造的示意图，特别是以比喻的方式使用加法的数式来示出了差动型的行星齿轮机构5是将太阳型的行星齿轮机构5a与行星型的行星齿轮机构5b进行组合而成的。在图4中，行星轮P仅图示了1个，但是通常为多个，例如3个～4个。另外，图4中的箭头示出了动作的方向，在图4中未对搭载行星轮P的行星架C进行图示，但是利用从行星轮P的中心伸出的箭头来示出了公转(行星架C的旋转)。

如图4的数式的左边所示，太阳型的行星齿轮机构5a是：太阳轮S固定，齿圈R、行星轮P以及行星架C(参照图2和图3)能够动作。该状态是仅马达A驱动齿圈R、与太阳轮S连结的第二输入轴22被制动器16固定且离合器15断开从而马达B停止的状态，在本实施方式中相当于仅驱动马达A的低速时的状态。

另外，如图4的数式的左边所示，行星型的行星齿轮机构5b是：齿圈R固定，太阳轮S、行星轮P以及行星架C(参照图2和图3)能够动作。该状态是马达A停止而齿圈R被固定，马达B驱动太阳轮S从而试图驱动行星轮P和行星架C(参照图2和图3)的状态，在本实施方式中相当于开始驱动马达B的从低速向高速切换时的状态。

如图4的数式的右边所示，本实施方式的差动型的行星齿轮机构5是：齿圈R、太阳轮S、行星轮P以及行星架C全部能够动作。该状态是利用马达A驱动齿圈R、利用马达B驱动太阳轮S、通过行星架C(参照图2和图3)的旋转来使输出轴23旋转的状态，相当于以固定速度驱动马达B、且利用马达A来调整速度的高速时。

在图5中，例示了本实施方式的差动型的行星齿轮机构5中太阳型和行星型的各行星齿轮机构5a、5b的齿数，并示出了基于该齿数例计算与2个马达A、B连接的齿圈R及太阳轮S所分别分担的动力的比率的一例。

如图5所示，作为一例将太阳型和行星型的各齿轮的齿数设为太阳轮S为70枚、行星轮P为30枚、齿圈R为130枚。当根据这些齿数计算速度时，在太阳型的情况下，太阳轮S为0，行星轮P的行星架C为588min^-1、齿圈R为904min^-1。另外，在行星型的情况下，太阳轮S为1750min^-1，行星轮P的行星架C为612min^-1，齿圈R为0。因而，在将太阳型与行星型进行组合而成的实施方式的差动型的行星齿轮机构5中，作为输出轴23的行星轮P的行星架C的速度为太阳型和行星型的各行星齿轮机构5a、5b的各行星轮P的行星架C的速度总和，为588min^-1+612min^-1＝1200min^-1。而且，在假设期望的输出为100kW的情况下，在该例子中，太阳型的行星齿轮机构5a的齿圈R的动力为49kW，行星型的行星齿轮机构5b的太阳轮S的动力为51kW。因而，对实施方式的差动型的行星齿轮机构5的齿圈R进行驱动的马达A的动力为49kW，对太阳轮S进行驱动的马达B的动力为51kW，对太阳轮S进行驱动的马达B这一方的动力稍大。

参照图6～图8来说明本实施方式的船舶推进装置1的作用。

图6是示出实施方式的船舶推进装置的螺旋桨输出与轴转速之间的关系的图表。如图6所示，在实施方式的船舶推进装置中，在螺旋桨输出为启动时的0kW起的低输出区域，如图6中粗实线所示，控制部30利用变频器来驱动马达A从而推进船舶。在此期间，切断离合器15从而马达B停止，制动器16进行动作从而第二输入轴22被固定以使得太阳轮S不转动。

如图6所示，当螺旋桨输出达到低输出区域与高输出区域的边界时，控制部30以如下方式进行控制：使马达A的旋转和输出下降到规定值，并且将由起动器25启动的马达B如图6中细实线所示那样以规定的固定转速(在实施方式中为1750min^-1)进行驱动，使马达B承担马达A所降低的输出。然后，在高输出区域，控制部30如粗实线所示那样利用变频器来控制马达A，由此如粗虚线所示那样调整螺旋桨输出。

根据本实施方式，在马达B开始驱动之后，马达A不对马达B的驱动发挥作为制动器16的作用。根据本实施方式中采用的行星齿轮机构5，根据螺旋桨的输出或轴转速不同，有时若不将马达A向与马达B相反的方向驱动则会产生螺旋桨无法向正方向提高转速的区域，但是根据本实施方式，适当地切换在低输出区域和高输出区域使用的马达的种类、组合来进行驱动，因此在整个旋转区域中马达A和马达B的输出的总和为螺旋桨的输出。

此外，如下面所说明的那样，通过适当地控制制动器16和离合器15，能够稳定地进行从低输出区域向高输出区域的转变中的马达A、B的切换。即，假如没有离合器15，则马达B会始终与太阳轮S连结。这样一来，在从低输出区域向高输出区域转变时，与停止中的太阳轮S连结的马达B必须克服大的惯性来启动。因而，与马达B的输出轴23未连结负载的状态相比，为了使与太阳轮S连结的马达B上升至规定的固定转速，需要更大的电力。但是，在本实施方式中，在马达B的输出轴23与太阳轮S之间存在离合器15。因此，在从低输出区域向高输出区域转变时，在转变前，能够在切断离合器15的状态下使马达B以所需最小限度的电力启动从而提高至所需的转速。然后，能够在转变的时间点解除制动器16并接合离合器15，来将动力顺畅地从马达A、B传递到螺旋桨。

图7是示出实施方式的舶推进装置的螺旋桨转速与螺旋桨输出之间的关系等的图表，示出了与螺旋桨转速相对的螺旋桨输出的曲线图、马达A和马达B的输出、以及效率。在螺旋桨输出为启动时的0kW起的低输出区域，控制部30利用变频器来驱动马达A从而控制螺旋桨输出。当螺旋桨输出达到低输出区域与高输出区域的边界时，以固定的转速驱动马达B，利用变频器来调整马达A的速度从而控制螺旋桨输出。其结果，螺旋桨输出相对于螺旋桨转速处于所谓三次方特性的关系，在螺旋桨转速为0到额定转速的整个范围内，行星齿轮的效率为98％左右的高值，燃料消耗率提高。

图8是示出实施方式和比较例的各船舶推进装置的螺旋桨转速与发电机电力量之间的关系的图表。在此，比较例相当于在[背景技术]栏说明的“专利文献3”的船舶推进装置，是具有通过变频器进行旋转控制的副电动机以及通过滑动离合器进行旋转控制的电动机这两个电动机的类型的装置。根据图8的图表可以理解，在比较例的情况下，随着螺旋桨载荷变大，转差损耗量变大，因此发电量变多，而且存在中途的因转速而发电量急增的不连续区域，运转控制的顺畅性欠佳。然而，在本实施方式中，损耗少且与比较例相比效率高，产生用于驱动马达的电力的发电机的燃料消耗量更少。

图9是示出作为本发明的第二实施方式的船舶推进装置的概要结构的图。在第二实施方式中，替代第一实施方式的减速器8，在底板7上设置内置行星齿轮机构5的齿轮箱4，将行星齿轮机构5的输出轴23连结到垂直轴2。其它结构与第一实施方式相同。根据第二实施方式，将驱动机构配置为纵型，因此能够实现配置于船内的设备类的省空间化。

图10是示出作为本发明的第三实施方式的船舶推进装置的驱动系统的概要的结构图。该图是示出低速时的驱动力传递状况的图，是相当于第一实施方式的图2的图。在第三实施方式中，设置有作为防反转机构的单向离合器(one-way clutch)40来替代第一实施方式的制动器16。通过使单向离合器40的外轮固定、以内轮为驱动轴，驱动轴能够仅向螺旋桨6的正旋转方向旋转。

如以上所说明的那样，根据本实施方式，在利用2台马达(电动机)A、B来推进船舶的船舶推进装置1中，将一方的马达B设为通用的交流电动机来以固定速度驱动，将另一方的马达A设为利用小的通用的变频器17驱动的交流电动机来控制速度，还使用了包括制动器16和离合器15的行星齿轮机构5以将两个马达A、B与螺旋桨6连结，因此，不需要作为特别定制品的昂贵的变频器，能够节约设置空间，能够通过螺旋桨6的驱动动力不中断的稳定运转以及与螺旋桨输出相应的高效控制来削减对马达A、B进行驱动的发电机的燃料消耗量。

此外，在以上说明的实施方式中，马达A与齿圈R连接，马达B与太阳轮S连接，螺旋桨6与行星架C连接，但并不是说该结构是必须的。也可以将行星齿轮机构5的齿圈R、太阳轮S、搭载了行星轮P的行星架C中的任一个构件与螺旋桨连结，将剩下的两个构件与马达A及马达B连结。

附图标记说明

1：船舶推进装置；5：行星齿轮机构；6：螺旋桨；15：离合器；16：制动器；17：变频器；30：控制部；40：作为防反转机构的单向离合器；S：太阳轮；P：行星轮；R：齿圈；C：行星架；A：第一马达；B：第二马达。

Claims (5)

1.一种船舶推进装置，其特征在于，具备：

行星齿轮机构，其具有相互卡合的齿圈、太阳轮以及搭载于行星架的行星轮；

第一马达，其与所述齿圈、所述太阳轮以及所述行星架中的任一个构件连接，由变频器驱动所述第一马达；

第二马达，其与所述齿圈、所述太阳轮以及所述行星架中的未连接于所述第一马达的构件连接，以固定速度被驱动；以及

螺旋桨，其与所述齿圈、所述太阳轮以及所述行星架中的未连接于所述第一马达及所述第二马达的构件连接。

2.根据权利要求1所述的船舶推进装置，其特征在于，

所述第一马达与所述齿圈连接，所述第二马达与所述太阳轮连接，所述螺旋桨与所述行星架连接。

3.根据权利要求2所述的船舶推进装置，其特征在于，

具有设置于所述第二马达的离合器以及设置于所述离合器与所述太阳轮之间的制动器。

4.根据权利要求2所述的船舶推进装置，其特征在于，

具有设置于所述第二马达的离合器以及设置于所述离合器与所述太阳轮之间的防反转机构。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的船舶推进装置，其特征在于，

具有控制部，所述控制部以如下方式进行控制：在所述螺旋桨的输出相对小的低输出区域，仅利用所述第一马达来驱动所述螺旋桨，在所述螺旋桨的输出相对大的高输出区域，利用所述第一马达和所述第二马达来驱动所述螺旋桨。

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