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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.
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Bei derartigen Verfahren wird bei elektrischen Motoren, beispielsweise bei permanenterregten Synchronmaschinen, oder bürstenlosen Gleichstrommotoren, der Strom in bestimmten Rotorlagen durch elektrische Schaltelemente, wie etwa Transistoren, kommutiert. Damit dieser Kommutierungsvorgang zum richtigen Zeitpunkt erfolgt, muss die aktuelle Rotorlage bekannt sein.
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Üblicherweise werden zur Erfassung der Rotorlage beispielsweise Hallsensoren oder auch sensorlose Verfahren bei derartigen Motoren eingesetzt. Hallsensoren werden an Stellen des Ankerumfangs angeordnet, bei denen die Normalkomponente der Induktion Null ist, und erfassen das vom permanentmagnetischen Rotor erzeugte magnetische Feld. Erreicht der Rotor eine solche Position, z.B. die Nutmitte des Stators, die jeweils auch der mechanischen Kommutierungsposition entspricht, erzeugt der Hallsensor ein Kommutierungssignal.
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Auf Grund der Induktivität der Motorwicklung, erreicht der Strom nicht unverzüglich nach dem Einschalten sein Maximum, sondern eilt der angelegten Spannung nach und wird somit um eine gewisse Zeit verzögert.
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Um diese Verzögerung zu kompensieren, kann bekanntermaßen beispielsweise eine sogenannte Vorkommutierung eingesetzt werden. Der Kommutierungsvorgang wird hierbei, noch bevor der Rotor die eigentliche Kommutierungsposition erreicht hat, gestartet.
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Um den Wirkungsgrad des Motors zu verbessern, sind Verfahren bekannt, bei welchen mittels einer feldorientierten Regelung ein spezifischer Winkel zur Vorkommutierung arbeitspunktabhängig vermessen und in einer Look-up Tabelle hinterlegt wird. Auf der Basis dieses Winkels wird der flussbildende Strom als auch der drehmomentbildende Strom während des Betriebs des Motors eingeprägt.
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Auch sind Verfahren bekannt, bei welchen in stationären Arbeitspunkten eine Eingangsleistung mittels einer gleitenden Anpassung der flussbildenden Stromkomponente geändert wird, oder die auf Grund von Verlustmodellen und Suchansätzen den Vorkommutierungswinkel optimieren.
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Aus dem Dokument
US 2012/0293106 A1 ist ein elektrischer Motor bekannt, der einen Permanentmagnetrotor und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines dreiphasigen Sinusstroms zum Zuführen von Strom zu dem Motor, sowie ebenfalls einen Mikroprozessor zum Ausführen der Verfahrensschritte umfasst. Hierbei werden die Verluste auf der Basis eines gestellten Spannungszeigers optimiert.
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Weiterhin sind zur Optimierung des Wirkungsgrades eines elektrischen Motors Verfahren zur Änderung der flussbildenden Stromkomponente bekannt, wobei die Leistung eines Zwischenkreises vermessen und auf der Basis dieser Information die flussbildende Stromkomponente verändert wird, bis sich ein Wirkungsgradminimum des Motors einstellt.
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Nachteilig ist hierbei, dass zur Durchführung dieses Verfahrens stets ein stationärer, also ein sich mit der Zeit nicht ändernder, Betriebszustands des Motors vorliegen muss, und somit eine stationäre Abhängigkeit besteht.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur arbeitspunktabhängigen Optimierung des Wirkungsgrades eines elektrisch kommutierten Motors vorzuschlagen, bei dem Eisenverluste der Kommutierung unabhängig vom Betriebszustand des Motors kompensiert werden können und somit insbesondere eine stationäre Abhängigkeit des Verfahrens vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird mittels der unabhängigen Patentansprüche gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.
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Im Sinne der Erfindung ist der Begriff feldorientierte Regelung dahingehend zu verstehen, als dass darunter ein Regelungskonzept zu verstehen ist, bei dem als weitestgehend sinusförmig angenommene Wechselgrößen, wie etwa Wechselspannungen und Wechselströme, nicht direkt in ihrem zeitlichen Momentanwert, sondern in einem um den Phasenwinkel innerhalb der Periode bereinigten Momentanwert geregelt werden. Zu diesem Zweck werden die erfassten Wechselgrößen jeweils in ein mit der Frequenz der Wechselgrößen rotierendes Koordinatensystem übertragen. Innerhalb des rotierenden Koordinatensystems ergeben sich dann aus den Wechselgrößen Gleichgrößen, auf die alle üblichen Verfahren der Regelungstechnik angewandt werden können. In anderen Worten werden bei einer feldorientierten Regelung Messgrößen mit weitestgehend sinusförmigem Charakter durch Anwendung einer Clark-/Park-Transformation in ein rotorfestes Koordinatensystem transformiert. Hierdurch werden die drei Wechselgrößen in zwei Gleichgrößen gewandelt auf die übliche Verfahren der Regelungstechnik angewandt werden können.
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Die Erfindung sieht ein Verfahren vor zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines Motors in der Art einer permanenterregten Synchronmaschine mittels einer feldorientierten Regelung, wobei ein Sollwert des flussbildenden Stroms für einen Arbeitspunkt am Motor mittels der folgenden Schritte bestimmt wird:
- a) Erfassen von Daten einer Leistungsänderung des Motors bei einer Änderung des flussbildenden Stroms entsprechend einer vorbestimmten Änderungsrate;
- b) Bilden einer mathematischen Funktion, wobei die mathematische Funktion einen Zusammenhang zwischen den Daten der Leistungsänderung und zu stellendem flussbildenden Strom herstellt;
- c) Bestimmen eines lokalen Minimums der mathematischen Funktion;
- d) Betrieb des Motors im lokalen Minimum der mathematischen Funktion und Wiederholen der vorausstehenden Verfahrensschritte binnen einer ersten Betriebszeit;
- e) nach Ablauf der ersten Betriebszeit: Ändern des flussbildenden Stroms zum Anheben der Leistungsänderung aus dem lokalen Minimum mittels einer Anregungsfunktion und Wiederholen der vorausstehenden Verfahrensschritte.
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Vorteilhaft erweitert das Verfahren eine feldorientierte Regelung eines elektrisch kommutierten Motors um eine Wirkungsgradregelung in Bezug auf den flussbildenden Strom des Motors. Das Verfahren optimiert diesen somit einzig unter Betrachtung des Wirkungsgrads des Motors. Mittels der Vorgabe eines geringen flussbildenden Stroms können Eisenverluste im Motor teilweise kompensiert und der Wirkungsgrad des Motors erhöht werden, was Energieaufwendungen einsparen und somit einen günstigeren Betrieb des Motors ermöglichen kann. Das Verfahren kann kontinuierlich und über die gesamte Laufzeit, sowohl in einem stationären Zustand, also in einem sich mit der Zeit nicht ändernden Zustand, als auch einem nicht-stationären Zustand, also in einem sich mit der Zeit ändernden Zustand, des Motors eingesetzt werden.
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Eine aufwendige Erfassung von arbeitspunktabhängigen Vorkommutierungswinkel kann somit entfallen und das Verfahren kann mittels kontinuierlicher Optimierung universell eingesetzt werden, da es sich dynamischer als eine Look-up Tabelle erweist und in dynamischen Situationen Ausnahmebehandlungen entfallen können. Beispielsweise vermag eine Look-up Tabelle nicht, etwaige und sich mit dem Betrieb des Motos ändernde Faktoren, wie z.B. thermische oder alterungsbedingte Parameteränderungen zu berücksichtigen. Mittels des Verfahrens können daraus resultierende Effekte ausgeglichen werden, da das Optimum sich mit verschiebt und dieses unabhängig vom Zustand des Motors eingestellt wird. Änderungen können somit direkt erkannt und entsprechend der Arbeitspunkte des Motors angepasst werden. Weiterhin von Vorteil ist, dass ein aufwändiges Vermessen des Motors entfällt.
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Vorteilhaft ist weiterhin, dass selbst bei falsch parametrisierten sensorlosen Verfahren, der Motor in einem stationären Zustand im optimalen Arbeitspunkt betrieben werden kann und eine hohe Toleranz gegenüber Parameteränderungen des Motors im Betrieb erzeugt werden kann.
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Das Anheben des lokalen Minimums mittels einer Anregungsfunktion und das darauf folgende erneute Minimieren der Leistungsaufnahme bei gleichbleibendem Arbeitspunkt mittels Änderung des flussbildenden Stroms, verhindert in vorteilhafter Weise das Festfahren in einem lokalen Minimums der mathematischen Funktion zu Gunsten des Auffindens eines globalen Minimums.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Verfahren den Schritt umfasst:
- a.1) falls die Änderung des flussbildenden Stroms zu einer Verkleinerung der Leistungsaufnahme des Motors führt:
- weitere Änderung des flussbildenden Stroms gemäß der vorbestimmten Rate;
- ansonsten: Änderung des flussbildenden Stroms gemäß einer zu der vorbestimmten Rate, invertierten Rate;
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Hierdurch wird ermöglicht, dass sich das Verfahren stets in eine, den Wirkungsgrad des Motors optimierende Richtung bewegt und der hierfür benötigte Zeitaufwand minimiert wird. Ein Abdriften des Verfahrens von dem zu erzielenden Minimum kann somit verhindert werden.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die erfassten Daten zur Ermittlung der Leistungsänderung mittels eines Tiefpasses gefiltert werden.
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Die Erfassung der Daten unterliegt gewissen Ungenauigkeiten und systembedingten Störungen und Rauschen. Mittels eines Tiefpass-Filters können hochfrequente Änderungen der erfassten Daten unterdrückt werden und ein stabilerer und zuverlässiger Verfahrensablauf gewährleistet werden.
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Außerdem ist vorgesehen, dass bei einer Leistungsänderung unter einer vorbestimmten Hysterese keine Änderungen des flussbildenden Stroms vorgenommen werden.
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Dies kann sich vorteilhaft auf die Laufruhe des Motors im Betrieb auswirken, was unter Anderem störende Geräusche, Schwingungen und unnötige Energieverluste verringern kann.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Leistungsänderung in einem bewegten Koordinatensystem mittels Stromzeigerinformationen und/oder Leistungszeigerinformationen erfasst wird.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass dadurch kein zusätzlicher Messaufwand erzeugt wird, da diese Informationen bereits für jeden feldorientiert geregelten Motor vorliegen.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass zur Erfassung der Rotorlage des Motors sensorbehaftete, z.B. mittels Hall-Sensoren und/oder sensorlose Verfahren verwendet werden.
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Hierdurch kann der Motor einfach und zuverlässig in einem dem Motor eigenen Koordinatensystem beschrieben werden. Das Bezugssystem der Regelung kann somit in vorteilhafter Weise spezifisch für jeden Motor in Abhängigkeit von dessen Drehwinkel beschrieben werden.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Erfassung der Leistungsänderung mittels direkter Methoden, z.B. durch Messung der Maschinenleistung, und/oder indirekter Methoden, z.B. durch Erfassung der Motorphasenströme, erfolgt.
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Beispielsweise kann die Leistung indirekt mittels Erfassung der Motorphasenströme, durch die Erfassung des Summenstroms des Motors oder durch die Länge des gemessenen Stromzeigers ermittelt werden. Vorteilhaft ist im Besonderen die Verwendung der aus der Regelung bekannten Größen, wie der drehmomentbildende und der flussbildende Strom, da hierdurch auf zusätzliche Strommessungen verzichtet werden kann. Dies ermöglicht einerseits einen schnellen Zugang zu den benötigten Informationen, andererseits können diese dadurch mit verringertem Aufwand an Messtechnik günstig generiert werden.
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Weiterhin ist vorgesehen dass das Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrades kontinuierlich über den gesamten Lebenszyklus der permanenterregten Synchronmaschine erfolgt. Hierdurch kann vorteilhaft eine unterbrechungsfreie Optimierung ermöglich werden.
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Weiterhin sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor zur Durchführung eines oben beschriebenen Verfahrens umfassend wenigstens einen Drehzahlregler, wenigstens einen Wirkungsgradregler, sowie wenigstens zwei Stromregler sowie mindestens eine Steuereinheit zur Ausführung von Rechenoperationen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Hierbei zeigt
- 1 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens und
- 2 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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In 1 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens dargestellt.
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Anhand der 1 wird im Folgenden eine Möglichkeit zur Umsetzung des Verfahrens mittels einer Stufenfunktion 8 beschrieben.
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Zunächst werden Daten einer Leistungsänderung eines Motors bei einer Änderung des flussbildenden Stroms erfasst 1. Die Änderung des flussbildenden Stroms geschieht hierbei mit einer vorbestimmten Änderungsrate. Anschließend werden die Daten mittels eines Tiefpasses gefiltert 2, um mögliche Messunsicherheiten oder Rauschen nicht in das Verfahren einfließen zu lassen.
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Falls die Änderung des flussbildenden Stroms zu einer Verkleinerung der Leistungsaufnahme des Motors führt 3 wird die Änderung des flussbildenden Stroms gemäß der vorbestimmten Änderungsrate weiter geführt, andernfalls wird die Änderung des flussbildenden Stroms gemäß einer Rate weiter geführt, welche der vorbestimmten Änderungsrate invertiert ist 4.
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Nun wird eine mathematische Funktion gebildet 5, wobei diese einen Zusammenhang zwischen den Daten der Leistungsänderung und dem zu stellenden flussbildenden Strom herstellt.
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Daraufhin wird ein lokales Minimum der mathematischen Funktion bestimmt und der Motor in diesem lokalen Minimum binnen einer vorbestimmten Zeit 6 betrieben.
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Nach der vorbestimmten Zeit 6 wird das lokale Minimum der mathematischen Funktion mittels einer Anregungsfunktion, beispielsweise einer Stufenfunktion 8, angehoben und die vorausgegangenen Verfahrensschritte wiederholt. Das Anheben des Minimums verhindert dabei das Festfahren des Verfahrens in einem lokalen Minimum und ermöglicht das Auffinden eines globalen Minimums.
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In anderen Worten ausgedrückt kann der Motor bei der Verwendung einer Stufenfunktion 8 als Optimierungsalgorithmus anhand der Bemessung der Leistungsänderung optimiert werden. Da die Messung des Stroms oder der Leistung sehr volatil ist und zusätzlich Messungenauigkeiten auftreten können werden die Daten der Erfassung der Leistungsänderung 1 mittels eines Tiefpass-Filters vorgefiltert.
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Die gefilterten Daten werden einem nicht näher bezeichneten optimalen Vorkommutierungstracking übergeben, welches mit einer langsameren Zeitkonstante als das Regelsystem ausgeführt werden kann. Das optimale Vorkommutierungstracking berechnet daraufhin die Differenz zwischen dem aktuellen Messwert und dem letzten Messwert und stellt dementsprechend eine größere oder eine kleinere flussbildende Stromkomponente.
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Führt die Änderung der flussbildenden Stromkomponente zu einer Verkleinerung der Leistungsaufnahme an dem Motor, so wird die Änderung der flussbildenden Stromkomponente mit der gleichen Rate fortgeführt. Liegt hingegen eine größere Leistungsaufnahme an dem Motor vor, so wird die Änderungsrate invertiert.
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Die fortlaufende Optimierung führt langfristig so zu einem lokalen Leistungsminimum.
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2 zeigt einen schematischen Aufbau eines Ablaufplans zur Durchführung des Verfahrens umfassend eine Drehzahlregelung 20, eine als feldorientierte Regelung 33 ausgebildeter Stromregelung und eine vorgeschaltete Wirkungsgradregelung 42.
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Binnen der Drehzahlregelung 20 ist das Zusammenwirken von Drehzahlinformationen 21, 48, eines ersten PI-Reglers 22, einer Nachstellzeit 23, einer Verstärkung 24, sowie einer der Stromregelung 33 übergebenen Sollwertinformation 25 dargestellt.
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Binnen der Wirkungsgradregelung 42 ist das Zusammenwirken von Strominformationen 47, 46 deren Betrag ein Stromzeiger 42 ergibt, sowie einer Spannungsinformation 43, 44 deren Betrag ein Spannungszeiger 45 ergibt dargestellt. Der Stromzeiger 41 wird mit Spannungszeiger 45 zu einem Leistungszeiger 40 umgerechnet, welcher die aktuelle Leistungsinformation am Motor darstellt. Das Minimum des Leistungszeigers entspricht je Arbeitspunkt dem Optimum der Leistung des Motors. Auf Basis der Änderung der Leistungszeigers 40 stellt ein optimales Vorkommutierungstracking 39 daraufhin einen flussbildenden Strom, der als Strominformation 38 dargestellt ist. Diese wird verändert, bis ein lokales Minimum erreicht wird. Verändert sich der Arbeitspunkt, so verändert sich auch das lokale Minimum. Die Strominformation wird daraufhin an die feldorientierte Regelung 33 übergeben.
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Binnen der feldorientierten Regelung 33 ist das Zusammenwirken der aus der Drehzahlregelung erlangten Sollwertinformation 25, der aus der Wirkungsgradregelung 42 erlangten Strominformation 38, sowie der jeweils zugehörigen Strominformationen 26, 37 und den jeweils zugehörigen PI-Reglern 27, 36 dargestellt. Mittels einer Clark-/Park-Transformation werden sodann eine drehmomentbildente Stromkomponente 28 mit einer flussbildenden Stromkomponente 35 zu Dreiphasen-Stromkomponenten 30, 31, 32 transformiert, die zum Antrieb des Motor genutzt werden können.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Erfassung der Leistungsänderung
- 2
- Tiefpass-Filter
- 3
- Leistungsänderung kleiner
- 4
- Leistungsänderung größer
- 5
- mathematische Funktion
- 6
- nach vorbestimmter Zeit
- 7
- sonst
- 8
- Stufenfunktion
- 9
- Änderung des flussbildenden Stroms
- 20
- Drehzahlregelung
- 21, 48
- Drehzahlinformationen
- 22, 27, 36
- PI-Regler
- 23
- Nachstellzeit
- 24
- Verstärkung
- 25
- Sollwertinformation
- 26, 37, 38, 46, 47
- Strominformationen
- 28, 43
- drehmomentbildende Stromkomponente
- 29, 34
- Clark-/Park-Transformation
- 30, 31, 32
- Dreiphasen-Stromkomponenten
- 33
- feldorientierte Regelung
- 35, 44
- flussbildende Stromkomponente
- 39
- optimales Vorkommutierungstracking
- 40
- Leistungszeiger
- 41
- Stromzeiger
- 42
- Wirkungsgradregelung
- 45
- Spannungszeiger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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