JP2009500838A - 磁気カプラの供給方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、いくつかの巻線ペアを有する磁気カプラに供給する方法に関するものであり、それぞれのペアは、磁性材料のコアによって相互に磁気的に結合された隣接する第1巻線及び第2巻線のペアから形成されている。本方法は、それぞれのペアの第1巻線に対して、その同一のペアの第2巻線の供給電圧又は電流との関係において角度αだけ位相がずれた供給電圧又は電流を供給する段階(段階34)を更に有している。角度αの絶対値は、少なくとも1つの巻線ペアにおいて、4π/N以上である。

Description

本発明は、磁気カプラに供給する方法及び装置に関するものである。
磁気カプラ(マルチインターフェーズ変圧器)は、例えば、負荷を多相供給源に接続するべく使用されている。
互いに角度がオフセットされたN個の周期的な供給電流又は電源を生成可能である多相供給源の使用法については、既知であり、この場合に、Nは、4以上の整数である。使用される供給電流又は電圧間のオフセット角度は、0と2πラジアンとの間に均等に分布している。2πラジアンのオフセット角度は、電流又は電圧の1周期に対応している。
既知の磁気カプラは、いくつかの巻線ペアを有しており、それぞれのペアは、磁性材料から製造されたコア、即ち、磁気コアによって磁気的に相互接続された隣接する第1巻線及び第2巻線によって形成されている。既知の磁気カプラの様々な構造については、「Modeling and Analysis of Multi−Interphase Transformers for Connecting Power Converters in Parallel」(IN GYU PARK and SEON IK KIM, Dept. of Control and Instrumentation Eng., Wonkwang University, Iksan, Chonbuk, 570−749 Korea, IEEE 1997)に記述されている。
これらのカプラに供給する既知の方法は、それぞれのペアの第1巻線に対して、この同一のペアの第2巻線の供給電流又は電圧との関係において角度αだけ角度がオフセットされた供給電流又は電圧を供給する段階を有している。
既知の方法においては、角度αは、それぞれの巻線ペアにおいて、2π/Nに等しい。
この結果、磁気カプラは、正しく機能することになるが、これは、面倒である。いまや、これらの磁気カプラのサイズを低減することが望ましい。
従って、本発明の目的は、同一の性能レベルにおいて、磁気カプラのサイズの低減を実現する磁気カプラへの供給方法を提案することにある。従って、本発明の目的は、角度αの絶対値が少なくとも1つの巻線ペアにおいて4π/N以上である磁気カプラに供給する方法である。
同一の性能レベルにおいて、角度αの絶対値が少なくとも1つの巻線ペアにおいて4π/N以上となるように選択した場合に、このペアの巻線を接続する磁気コアを通過する最大磁束が減少することを観察した。実際に、このタイプの値を少なくとも1つの巻線ペアの角度αの絶対値に適用した場合には、この巻線ペアの供給電流又は電圧のオフセット角度がπラジアンに等しい状況に近づく。これは、これら2つの巻線を接続する磁気コア内において観察されうる最大磁束を最適に低減することに相当する。
磁気コアの断面を通過する最大磁束が減少するため、この磁気コアの寸法も低減され、結果的に、カプラのサイズも低減可能となる。
更には、N個の供給電流又は電圧のオフセット角度の規則的な分布に起因し、このカプラによって供給される負荷内における電流又は電圧の高調波も減少することになる。
この供給方法の実施例は、以下の特性の中の1つ又は複数を備える。
・角度αの絶対値が、それぞれの巻線ペアにおいて4π/N以上である。
・角度αの絶対値が、それぞれの巻線ペアにおいてπ−2π/Nラジアンとπ+2π/Nラジアンとの間である。
・Nが奇数である場合には、角度αの絶対値は、[(N−1)/2].(2π/N)に等しい。
・Nが4の倍数である場合には、角度αの絶対値は、[(N/2)−1].(2π/N)に等しい。
・Nが偶数である場合には、角度αは、N/2−1個の巻線ペアにおいては、[(N/2)−1].(2π/N)に、2つの巻線ペアにおいては、πに、そして、その他の巻線ペアにおいては、−[(N/2)−1].(2π/N)に等しい。
又、本供給方法のこれらの実施例は、以下の利点を具備している。
・それぞれの巻線ペアにおいて、その絶対値が4π/N以上である角度αを選択することにより、磁気カプラのサイズを低減可能である。
・その絶対値がそれぞれの巻線のペアにおいてπ−2π/Nラジアンとπ+2π/Nラジアンの間である角度αを選択することにより、磁気カプラのサイズの最適な低減を得ることが可能である。
・Nの値に従って角度αを計算するべく先程提供した式を使用することにより、それぞれの巻線ペアにおいてπに近いオフセット角度が得られ、従って、磁気カプラのサイズの最適な低減を得ることが可能である。
又、本発明の目的は、電気ダイポールに供給する装置であり、この装置は、
・位相間のオフセット角度が0ラジアンと2πラジアンとの間に規則的に分布するN相の供給源であって、Nは、4以上である、N相の供給源と、
・供給源の位相のそれぞれを電気ダイポールに同時に接続する磁気カプラであって、この磁気カプラは、複数の巻線ペアを有しており、それぞれの巻線ペアは、磁性材料から製造されたコアによって相互に磁気的に接続された隣接する第1巻線及び第2巻線によって形成されており、それぞれのペアの第1巻線は、その同一のペアの第2巻線に供給している供給源の位相との関係において角度αだけ角度がオフセットされた供給源の位相によって供給されている、磁気カプラと、を有しており、
・角度αの絶対値は、少なくとも1つの巻線ペアにおいて4π/N以上である。
この装置の実施例は、以下の特性の中の1つ又は複数のものを有することができる。
・それぞれの第1巻線ペアについて、磁気カプラは、この第1巻線ペアと関連付けられた第2巻線ペアを有しており、それぞれの第2巻線ペアは、磁性材料から製造された同一コアによって、相互に、且つ、関連付けられた第1ペアの第1巻線及び第2巻線に、磁気的に接続された隣接する第3巻線及び第4巻線によって形成されており、第2ペアは、関連付けられた第1巻線ペアから電気的に絶縁されており、第1巻線及び第2巻線のみが供給源の位相に接続されており、第3巻線及び第4巻線のみが電気ダイポールに接続されている。
・それぞれのペアの第1巻線は、供給源の位相の中の1つに直接接続されており、この同一のペアの第2巻線は、別の巻線ペアの第1巻線によって供給源の別の位相に接続されている。
・それぞれの巻線ペアの第1巻線及び第2巻線は、供給源のそれぞれの位相に直接接続されている。
・それぞれの巻線ペアは、その他の巻線ペアから磁気的に独立している。
・磁気ペアのそれぞれの第1巻線又は第2巻線は、第1巻線ペア及び第2巻線ペアの両方に属している。
・それぞれの巻線は、第1端部及び第2端部を具備した磁性材料から製造されたブランチの周りに巻回されており、それぞれのブランチの第1端部は、磁性材料から製造された第1レッグによって磁気的に接続されており、それぞれのブランチの第2端部は、磁性材料から製造された第2レッグによって磁気的に接続されており、第1レッグ及び第2レッグは、それぞれ、すべてのブランチを接続するループを形成している。
・供給源のそれぞれの位相は、供給電流又は電圧を印加しており、これらの供給電流又は電圧の波形は、いずれも、同一であるが、約2π/Nの倍数のオフセット角度でオフセットされている。
又、本供給装置のこれらの実施例は、以下の利点を具備している。
・それぞれの第1巻線ペアと関連付けられた第2巻線ペアを使用することにより、供給源との関係において負荷のガルバニック絶縁を得ることが可能である。
・それぞれの巻線ペアがその他の巻線のペアから機械的に隔離されているという事実により、磁気カプラに供給するべく2つの巻線を有する変圧器の使用が可能となり、これにより、標準的な磁気コアからの前述の磁気カプラの製造が円滑に実行される。
・それぞれの巻線が第1磁気巻線ペア及び第2磁気巻線ペアの両方に属しているという事実により、磁気カプラ内における電流又は電圧のバランスがとれ、これにより、磁気カプラのサイズの低減を得ることが可能である。
本発明については、添付の図面を参照し、一例としてのみ提供されている以下の説明を参照することにより、更に理解することができるであろう。
図1は、電気ダイポール4に供給する装置2を表している。この場合には、ダイポール4は、入力8を具備したフィルタ6によって装置2に接続されている。
ダイポール4は、例えば、抵抗器である。
フィルタ6は、例えば、ダイポール4の端子に並列に接続されたフィルタリングコンデンサ12のみを有するフィルタである。この場合には、装置2によって、フィルタリングインダクタの使用を回避可能である。
装置2は、多相電圧源16と、この供給源16をダイポール4に接続するべく、磁気カプラ18と、を有している。
供給源16は、N相の供給源であり、Nは、4以上の整数である。従って、供給源16は、N個の電圧Viを供給しており、この場合に、iは、0とN−1との間の位相の番号である。慣例によると、電圧V0とViとの間のオフセット角度は、2πi/Nに等しい。従って、電圧V0とVN-1との間のオフセット角度は、図2に示されているように、0ラジアンと2πラジアンとの間に規則的に分布している。
図2においては、それぞれのベクトルは、電圧Viに対応しており、このベクトルの係数は、電圧の基本成分の係数に対応しており、X軸との関係におけるこのベクトルの角度は、電圧V0の基本成分との関係におけるその位相の変位に対応している。図示のように、電圧V0〜VN-1の基本成分の位相変位が規則的に分布している場合には、図2のグラフ上における2つの連続した電圧ベクトルの間の位相変位の角度は、2π/Nに等しい。
この場合には、すべての電圧V0〜VN-1が、2π/Nラジアンに等しいオフセット角度だけ互いにオフセットされた同一の周期的な波形を具備しているため、電圧V0〜VN-1の振幅は、すべて同一である。
図1においては、供給源16は、V0〜VN-1を供給するN個の単相電圧源S0〜SN-1の形態で示されている。例えば、電圧V0〜VN-1のいずれかに対応するように、それぞれの供給源Siによって生成される電圧のオフセット角度を調節可能である。後述するように、電圧V0〜VN-1は、供給源S0〜SN-1によって順番に生成されてはいない。
図示を簡単にするべく、図1には、3つの電圧源S0、S1、及びSN-1のみが示されている。
供給源16は、例えば、多相供給ネットワーク、多相電圧インバータ又はチョッパ、ダイオード及びサイリスタによって形成された制御可能な電圧整流器、又は「フライバック」電源のプライマリステージである。これらの周期的な電圧Viは、必ずしも、正弦波ではなく、例えば、矩形又は三角形であり、且つ、連続的な成分を有することができる。
この実施例においては、カプラ18は、N個の単相変圧器Tr0〜TrN-1を有している。それぞれの変圧器は、磁気コアniによって相互に磁気的に結合された1次巻線e1i及び隣接する2次巻線e2iによって形成されており、この場合に、iは、先程使用したものと同一の値である。
それぞれの変圧器は、磁気コアによって磁気的に相互に接続された巻線のペアを形成している。
この場合には、N個の変圧器Triは、相互に磁気的に独立している。
図示を簡単にするべく、図1には、3つの変圧器Tr0、Tr1、及びTrN-1のみが示されている。
それぞれの1次巻線e1iは、一端が供給源Siに直接接続されている。
それぞれの変圧器Triの2次巻線e2iは、変圧器Tri-1の1次巻線e1,i-1によって供給源Si-1に接続されている。値iが0に等しい場合には、2次巻線e20は、変圧器TrN-1の巻線e1,N-1によって供給源SN-1に接続されている。
供給源Siの中の1つに接続されていないそれぞれの2次巻線の端部は、中間点24に直接接続されており、この中間点自体は、フィルタ6の入力8に直接接続されている。
次に、図3の方法との関係において、装置2の動作モードについて説明することとする。
まず、段階30において、それぞれの変圧器の1次巻線e1iの供給電圧が、その同一の変圧器の2次巻線e2iの供給電圧との関係においてその絶対値が4π/Nを上回る角度αだけオフセットされるように、それぞれの供給源S0〜SN-1のオフセット角度を調節している。この場合には、角度αの絶対値がそれぞれの変圧器の巻線においてπ−2π/Nラジアンとπ+2π/Nラジアンとの間に納まるように、供給源S0〜SN-1のオフセット角度を調節している。
更に詳しくは、巻線e1i及びe2iの供給電圧間のオフセット角度αの絶対値が、Nが奇数である場合には、[(N−1)/2].(2π/N)に、そして、Nが4の倍数である場合には、[(N/2)−1].(2π/N)に等しくなるように、供給源Siのオフセット角度を調節している。
Nが偶数の場合には、角度αは、最初のN/2−1個の変圧器においては、[(N/2)−1].(2π/N)に、N/2番目及びN番目の変圧器においては、πに、そして、その他の変圧器においては、−[(N/2)−1].(2π/N)に等しい。
従って、Nが4の倍数である際には、Nは、偶数でもあるため、角度αを算出するための2つの式を適用可能である。
次いで、段階34において、段階30において判定された角度αだけ互いの間のオフセット角度を具備した供給電圧をそれぞれの変圧器の巻線に供給している。
このタイプの角度αを選択することにより、磁気コアn0〜nN-1の断面を通過する最大磁束が可能な限り低減され、この結果、この断面を低減可能であり、これにより、カプラ18の全体的なサイズが低減されることになる。1次巻線と2次巻線との間の位相変位の増大は、所与の瞬間においてこれら2つの巻線によって生成される最大磁界が磁気コア内において合成されるという状況からの離脱を意味するため、磁気コアの断面を通じた最大磁束が低減されることになる。
図4は、ダイポール4に供給する装置の第2実施例40を表している。図4においては、図1と関連して既に説明済みの要素は、同一の参照符号を保持している。
装置40は、供給源16と、磁気カプラ42と、を有している。カプラ42は、それぞれの変圧器の1次巻線及び2次巻線が個々の電圧源Siに直接接続されているという事実のみが、カプラ18と異なっている。この供給法は、図3と関連して説明したものと同一である。又、この供給法においても、それぞれの磁気コアn0〜nN-1の断面を通過する最大磁束を低減可能である。
図5は、ダイポール4に供給する装置の第3実施例50を表している。この図においては、図1と関連して既に説明済みの要素は、同一の参照符号を保持しており、ここでは、装置2と比較した場合の相違点についてのみ説明することとする。
図5においては、フィルタ6は、誘導コイルを有する必要はない。
装置50は、磁気カプラ54によってダイポール4に接続された供給源16を有している。
カプラ54内においては、中間点24は、基準電位M1に接続されており、もはや、フィルタ6の入力8には接続されていない。
この実施例においては、それぞれの変圧器Triは、巻線のペアe1i及びe2iに加えて、巻線のペアe3i及びe4iを有している。巻線e3i及びe4iは、磁気コアniによって巻線e1i及びe2iに磁気的に結合されている。巻線のペアe3i及びe4iは、巻線e1i及びe2iから電気的に絶縁されている。
巻線e3iの一端は、ダイオードdiによって共通点58に接続されている。ダイオードdiの陰極は、共通点58に対向している。
共通点58は、フィルタ6の入力8に直接接続されている。
巻線e3iの他端は、後続の変圧器Tri+1の巻線e4,i+1の一端に直接接続されている。巻線e4,i+1の巻線e3iに接続されていない端部は、電位M1から電気的に絶縁された基準電位M2に接続されている。
巻線e3,N-1の共通点58に接続されていない端部は、巻線e40の一端に直接接続されている。
カプラ54に供給する方法は、このカプラのサイズを低減するべく、図3を参照して説明したものと同一である。
図6は、磁気カプラ18、42、及び54の代わりに、これらの代替として使用可能なモノリシック磁気カプラ60を表している。カプラ18、42、及び54とは異なり、このカプラ60は、その他の磁気コアniとは磁気的に独立した磁気コアをそれぞれが有する複数の単相変圧器から製造されてはいない。
この場合には、カプラ60は、複数の水平ブランチB0〜BN-1を有するモノリシック磁気コア62を有している。図6においては、Nは5に等しい。ブランチB0〜BN-1の左側端部は、垂直の円形レッグ64によって相互に磁気的に接続されている。ブランチB0〜BN-1の右手側端部は、右手側の別の真っ直ぐな垂直の円形レッグ66によって相互に磁気的に接続されている。
この場合には、レッグ64及び66のそれぞれは、それ自体が閉じていると共にすべてのブランチBiを接続しているループ又は円を形成している。
導体が、それぞれの水平ブランチBiの周りに巻線eiを形成している。それぞれの巻線eiの一端は、共通点68に直接接続されており、共通点68は、例えば、フィルタ6により、ダイポール4に接続されている。
それぞれの巻線eiの他端は、供給源16の個々の供給源Siに接続されている。
この場合には、2つの連続した水平ブランチBi、Bi+1によって支持された隣接する巻線ei、ei+1が、コア62によって磁気的に相互に接続された巻線のペアを形成している。但し、以前の実施例とは異なり、この場合には、単一の巻線が、2つの異なる隣接した巻線ペアに属することができる。図6においては、この状況が巻線e2によって示されており、これは、巻線e1と共に第1の巻線ペアを形成し、且つ、巻線e3と共に第2の巻線ペアを形成している。
カプラ60に供給する方法は、図3を参照して説明したものと同一である。図3の供給方法を使用することにより、レッグ64及び66の断面を通過する最大磁束を低減可能であり、この結果、このカプラ60のサイズを低減可能である。
図7は、磁気カプラ18、42、及び54の代わりに、これらの代替として使用可能なラック状のモノリシック磁気カプラ70の別の実施例を表している。
図7においては、図6との関連において既に説明した要素は、同一の参照符号を保持している。
カプラ70は、垂直レッグ64及び66が、それぞれ、垂直の直立体74及び76によって置換されているという点が、カプラ60とは実質的に異なっている。従って、直立体74及び76は、ブランチB0〜BN-1の端部を磁気的に接続している。但し、この実施例においては、直立体74及び76は、それ自体が閉じていると共にすべてのブランチBiを接続しているループ又は円を形成してはいない。
図7に示されているその他の特性は、図6に示されているものと同一であり、これらの説明は省略する。
カプラ70に供給する方法は、図3を参照して説明したものと同一である。
以上において説明した供給装置及び供給方法においては、多数のその他の実施例が可能である。例えば、供給源16の単相電圧源は、調節可能な単相電流源によって置換可能である。この場合には、αが巻線ペアの供給電流間におけるオフセット角度を表していると共にフィルタ6が誘導コイルを具備していない点を除いて、供給方法は、図3のものと同一である。
図5の実施例においては、図5を参照して説明したように、巻線e1i及びe2,i+1を、供給源と第1基準電位M1との間に、直列に接続する代わりに、並列に接続することができる。同様に、巻線e3iとe4i+1も、共通点58と第2基準電位M2との間に、直列に接続する代わりに、並列に接続することができる。
好ましくは、供給源16は、N個の単相供給源によって形成されており、このオフセット角度は、調節不能である。これらの条件においては、図3の方法の段階30は、オフセット角度αを得るべく、巻線e1i及びe2iを適切な単相供給源に接続することによって実装される。
磁気カプラによって負荷に供給する第1装置の回路図である。 図1の装置の供給源の位相分布を示すグラフである。 図1の装置内において磁気カプラに供給する方法のフローチャートである。 磁気カプラによって負荷に供給する装置の第2実施例の回路図である。 磁気カプラによって負荷に供給する装置の第3実施例の回路図である。 図1、図4、及び図5の装置内において使用可能なモノリシック磁気カプラの構造の概略透視図である。 図1、図4、及び図5の装置内において使用可能な別のモノリシック磁気カプラの構造の概略図である。

Claims (12)

  1. 相互に角度がオフセットされたN個の周期的供給電流又は電圧を使用することによって磁気カプラに供給する方法であって、使用する前記N個の供給電流又は電圧間のオフセット角度は、0ラジアンと2πラジアンとの間に規則的に分布しており、Nは、4以上の整数であり、前記磁気カプラは、複数の巻線ペアを有しており、それぞれのペアは、磁性材料から製造されたコアによって相互に磁気的に接続された隣接する第1巻線及び第2巻線によって形成されており、前記方法は、それぞれのペアの前記第1巻線に対して、同一のペアの前記第2巻線の前記供給電流又は電圧との関係において角度αだけオフセットされた供給電流又は電圧を供給する段階(段階34)を更に有する方法において、
    前記角度αの絶対値は、少なくとも1つの巻線ペアにおいて、4π/N以上であることを特徴とする方法。
  2. 前記角度αの前記絶対値は、それぞれの巻線ペアにおいて、4π/N以上であることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 前記角度αの前記絶対値は、それぞれの巻線ペアにおいて、π−2π/Nラジアンとπ+2π/Nラジアンとの間であることを特徴とする請求項2記載の方法。
  4. Nが奇数である場合には、前記角度αの前記絶対値は、[(N−1)/2].(2π/N)に等しく、
    Nが4の倍数である場合には、前記角度αの前記絶対値は、[(N/2)−1].(2π/N]に等しく、
    Nが偶数である際には、前記角度αは、N/2−1個の巻線ペアにおいては、[(N/2)−1].(2π/N)に、2つの巻線ペアにおいては、πに、そして、他の巻線ペアにおいては、−[(N/2)−1].(2π/N)に等しい、
    ことを特徴とする請求項3記載の方法。
  5. 電気ダイポールに供給する装置であって、
    N個の位相を有する供給源(16)であって、前記位相間のオフセット角度は、0ラジアンと2πラジアンとの間に規則的に分布しており、Nは、4以上である、供給源と、
    前記供給源の前記位相のそれぞれを前記電気ダイポールに共に接続する磁気カプラ(18;42;54;60)であって、前記磁気カプラは、複数の巻線ペア(e1i、e2i;ei、ei+1)を有しており、それぞれの巻線ペアは、磁性材料から製造されたコアによって相互に磁気的に接続された隣接する第1巻線及び第2巻線によって形成されており、それぞれのペアの前記第1巻線は、同一のペアの前記第2巻線に供給している前記供給源の前記位相との関係において角度αだけ角度がオフセットされた前記供給源の位相によって供給されている、磁気カプラと、
    を有する装置において、
    前記角度αの絶対値は、少なくとも1つの巻線ペアにおいて、4π/N以上であることを特徴とする装置。
  6. それぞれの第1巻線ペアについて、前記磁気カプラ(54)は、前記第1巻線ペアと関連付けられた第2巻線ペアを有しており、それぞれの第2巻線ペアは、磁性材料から製造された同一のコアによって、相互に、且つ、関連付けられた前記第1ペアの前記第1巻線及び第2巻線に、磁気的に接続された隣接する第3巻線及び第4巻線(e3i、e4i)によって形成されており、前記第2ペアは、前記関連付けられた第1巻線ペアから電気的に絶縁されており、前記第1巻線及び第2巻線(e1i、e2i)のみが前記供給源の前記位相に接続されており、前記第3巻線及び第4巻線(e3i、e4i)のみが前記電気ダイポールに接続されていることを特徴とする請求項5記載の装置。
  7. それぞれのペアの前記第1巻線(e1i)は、前記供給源の前記位相の中の1つに直接接続されており、同一のペアの前記第2巻線は、別の巻線ペアの前記第1巻線によって前記供給源の別の位相に接続されていることを特徴とする請求項5又は請求項6記載の装置。
  8. それぞれの巻線ペアの前記第1巻線及び第2巻線は、前記供給源のそれぞれの位相に直接接続されていることを特徴とする請求項5又は請求項6記載の装置。
  9. それぞれの巻線ペアは、他の巻線ペアから磁気的に独立していることを特徴とする請求項5〜8の中のいずれか一項記載の装置。
  10. それぞれの第1巻線又は第2巻線は、第1巻線ペア及び第2巻線ペアの両方に属していることを特徴とする請求項5〜8の中のいずれか一項記載の装置。
  11. それぞれの巻線は、第1端部及び第2端部を具備した磁性材料から製造されたブランチの周りに巻回されており、それぞれのブランチの前記第1端部は、磁性材料から製造された第1レッグによって磁気的に接続されており、それぞれのブランチの前記第2端部は、磁性材料から製造された第2レッグによって磁気的に接続されており、前記第1レッグ及び第2レッグは、それぞれ、前記ブランチのすべてを接続するループを形成していることを特徴とする請求項10記載の装置。
  12. 前記供給源のそれぞれの位相は、供給電流又は電圧を印加しており、前記供給電流又は電圧の波形は、すべて、同一であるが、略2π/Nの倍数のオフセット角度でオフセットされていることを特徴とする請求項5〜11の中のいずれか一項記載の装置。
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