JP6601169B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関し、特に、永久磁石が埋め込まれたロータコアを備える回転電機に関する。

従来、永久磁石が埋め込まれたロータコアを備える回転電機が知られている（たとえば、特許文献１および特許文献２参照）。

上記特許文献１には、永久磁石が埋め込まれたロータコアを備える埋込磁石型モータを備えた回転電機が開示されている。この回転電機には、回転方向両側に空隙からなるフラックスバリアを備えるように埋め込まれる複数の永久磁石を含むロータヨーク（ロータコア）と、ロータヨークの径方向外側にロータヨークと所定の間隔を有して環状に配置されるステータコアと、ステータコアを励磁させる励磁コイル（巻線）とが備えられている。ロータヨークは、永久磁石の径方向外側に突出する凸極部と、フラックスバリアの径方向外側で凸極部間を連結するブリッジ部と、を含む。また、ロータヨーク上において、回転中心からの距離が最大となる最外周点近傍における凸極部の外周表面の曲率は、ロータヨークの回転中心を中心とし、ロータヨークの最外周点を通る最外周円の曲率よりも大きくなるように構成されている。

上記特許文献２には、上記特許文献１と同様に、マグネット（永久磁石）が埋め込まれたロータコアを備える埋込磁石型モータを備えた回転電機が開示されている。この回転電機では、ロータコアは、ロータシャフトに固定されたコアボディと、コアボディから径方向に突出するように設けられた６個の磁極部とを含む。磁極部には、マグネットが挿入されるマグネット取付孔が設けられ、隣接する磁極部との間には溝状の凹部が形成されている。磁極部の周方向両端には、切欠部が設けられている。また、上記特許文献１と同様に、ロータコア上において、回転中心からの距離が最大となる最外周点近傍における磁極部の外周表面の曲率は、ロータコアの回転中心を中心とし、ロータコアの最外周点を通る最外周円の曲率よりも大きくなるように構成されている。

特開２０１４−５４１５５号公報 国際公開第２０１４／０２７６３１号

しかしながら、上記特許文献１（特許文献２）に記載の回転電機では、ロータヨーク（ロータコア）上において、最外周点における凸極部（磁極部）の外周表面の曲率が、最外周円の曲率よりも大きい。ここで、最外周点における凸極部（磁極部）の外周表面の曲率が、最外周円の曲率よりも大きくなる程、凸極部（磁極部の円弧状の部分）の周方向の幅が小さくなるので、永久磁石の周方向の幅を小さくするか、または、永久磁石をロータコアの回転中心側に寄せる必要がある。しかし、永久磁石の周方向の幅を小さくした場合には、ステータコアに対向する側の永久磁石の表面積が小さくなるので、磁束量が低下する。また、永久磁石をロータコアの回転中心側に寄せた場合には、永久磁石とステータコアとの間の距離が大きくなるので、磁束量が低下する。このように、磁束量が低下する場合には、モータトルクが減少するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、磁束量の低下に起因したモータトルクの減少を抑制することが可能な回転電機を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面における回転電機は、ステータコアと、ステータコアに対向するように設けられ、複数の永久磁石が埋め込まれた磁石穴を有するロータコアとを備え、ロータコアは、永久磁石よりも径方向外側に突出するとともに、ロータコアの最外周円の曲率と等しい円弧状の円弧部を有する凸極部と、凸極部の周方向の両側に設けられるとともに、半径方向外側に突出する凸部を有し、凸部がロータコアの最外周点を通る最外周円の範囲内に設けられるブリッジ部とを有し、凸極部は、円弧部の周方向の両側の端部からブリッジ部の端部まで半径方向の内側に傾斜して延びる直線部をさらに有し、直線部は、ロータコアの最外周円よりも内径側に設けられ、凸極部の円弧部の両端間の長さは、凸極部の両端に設けられた直線部と交わるブリッジ部の両端部間の長さよりも小さくなるように構成されており、ブリッジ部は、一端が直線部の端部に接続される第１のブリッジ部と、第１のブリッジ部の他端に接続され、他端から半径方向の内径側に傾斜して延びる第２のブリッジ部とを有し、隣接する永久磁石のうちの一方に対応する凸極部の一方側に設けられる第２のブリッジ部と、隣接する永久磁石のうちの他方に対応する凸極部の他方側に設けられる第２のブリッジ部とは接続されており、ロータコアは、隣接する第２のブリッジ部同士の接続部と、ロータコアの中心側とを連結するとともに断面が矩形形状の永久磁石の短辺を支持する連結部を有する。

この発明の一の局面による回転電機では、凸極部の円弧部の曲率を、ロータコアの最外周円の曲率と等しくなるように構成することによって、凸極部の円弧部の曲率が、最外周円の曲率よりも大きい場合に比べて、永久磁石の周方向の幅を小さくすることなく磁石穴および永久磁石をより径方向外側に配置することができる。これにより、永久磁石の表面積の低下を抑制することができる。その結果、磁束量の低下に起因したモータトルクの減少を抑制することができる。

このように構成すれば、半径方向の内側に傾斜した直線部を設けることによって、円弧部の周方向の両側の端部からブリッジ部まで円弧で接続する場合に比べて、ロータコアの外周面と永久磁石との間の距離が小さくなるので、ブリッジ部の、直線部に接続されている部分の近傍がより細くなる。これにより、ブリッジ部の磁気的抵抗を増大させることができるので、ブリッジ部からの磁束の漏れを抑制することができる。また、円弧部の両端間の長さを、直線部と交わるブリッジ部の両端部間の長さよりも小さくすることによって、円弧部の両端間の長さが、直線部と交わるブリッジ部の両端部間の長さ以上である場合よりも、直線部とブリッジ部とが接続される角度が大きくなる。その結果、ロータコアの回転によって凸極部にかかる遠心力による荷重が、ブリッジ部と直線部との接続部に集中することを抑制することができる。これにより、ロータコアの耐久性を向上させることができる。

このように構成すれば、永久磁石が連結部まで延びる構成となるので、永久磁石の周方向の幅が大きくなり、その結果、ステータコアに対向する側の永久磁石の表面積の低下を抑制することができるとともに、磁束量の低下に起因したモータトルクの減少をさらに抑制することができる。

上記永久磁石の短辺を支持する連結部を有する回転電機において、好ましくは、連結部は、永久磁石の短辺を支持するように、半径方向の中央部近傍の周方向の幅が、他の部分の周方向の幅よりも大きくなるように構成されている。

このように構成すれば、永久磁石の短辺と連結部とが接するので、容易に永久磁石を支持することができる。また、連結部の周方向の幅が、一様に半径方向の中央部近傍の周方向の幅である場合よりも、連結部の周方向の最小幅が小さくなるので、連結部の磁気的抵抗を増大させることができ、その結果、連結部からの磁束の漏れを抑制することができる。

上記第１のブリッジ部、第２のブリッジ部および連結部を有する回転電機において、好ましくは、第１のブリッジ部の第１のブリッジ部が延びる方向と直交する方向の最小の幅、または、第２のブリッジ部の第２のブリッジ部が延びる方向と直交する方向の最小の幅のうちの少なくとも一方は、連結部の連結部が延びる方向と直交する方向の最小の幅と等しくなるように構成されている。

このように構成すれば、第１のブリッジ部または第２のブリッジ部のうちの少なくとも一方と、連結部とによって応力が分散されるので、ロータコアの耐久性を向上させることができる。

本発明の一実施形態による回転電機のステータコアおよびロータコアを、軸方向から見た平面図である。 本発明の一実施形態による回転電機のロータコアを、軸方向から見た平面図である。 図２の拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図３を参照して、本実施形態による回転電機１００の構成について説明する。

［モータの全体の構成］

図１に示すように、回転電機１００は、たとえば、後述する永久磁石３１がロータコア３０に埋め込まれたＩＰＭモータである。また、回転電機１００は、ステータコア２０と、ロータコア３０とを備えている。ロータコア３０は、ステータコア２０に対向するように、円環状のステータコア２０の内側に設けられている。なお、本願明細書では、「周方向」とは、ロータコア３０（ステータコア２０）の周方向を意味し、「径方向」とは、ロータコア３０の径方向を意味するものとして記載している。

ステータコア２０には、図１に示すように、バックヨーク２１から内周側に突出するように、複数（たとえば、９個）のティース２２が設けられている。そして、隣接するティース２２の間に、それぞれスロット２３が形成されている。各ティース２２（スロット２３）には、巻線（図示せず）が巻回されている。

［ロータコアの構成］
ここで、本実施形態では、図１〜図３に示すように、ロータコア３０は、回転軸方向（Ｚ方向）から見て、断面が矩形形状（長方形形状）の複数（たとえば、６個）の永久磁石３１が埋め込まれた磁石穴３１ａを有している。また、６つの永久磁石３１は、周方向に等角度間隔に埋め込まれている。また、図２および図３に示すように、ロータコア３０には、６つの永久磁石３１のそれぞれの径方向外側に突出するとともに外径側が円弧状の円弧部３０ａを有する凸極部３０ｂが設けられている。また、ロータコア３０は、凸極部３０ｂの周方向の両側に設けられるとともに、ロータコア３０の外径側と磁石穴３１ａとの間に設けられる、ブリッジ部３０ｃを含んでいる。ブリッジ部３０ｃは、半径方向外側に突出している。具体的には、回転軸方向から見て、ブリッジ部３０ｃにおいて、後述する第１のブリッジ部３０１ｃと第２のブリッジ部３０２ｃとの接続部Ｃ（図３参照）は最外周円３００に重なり、接続部Ｃ以外は、最外周円３００より内径側に設けられる。また、ブリッジ部３０ｃの接続部Ｃ近傍は、最外周円３００よりも曲率が大きい円弧状に形成されている。なお、接続部Ｃは、特許請求の範囲の「凸部」または「第１のブリッジ部の他端」の一例である。

そして、本実施形態では、ロータコア３０の回転軸方向から見て、凸極部３０ｂの円弧部３０ａの外径側の曲率は、最外周円３００の曲率と等しくなる。すなわち、最外周円３００と円弧部３０ａとは、互いに重なる。

回転軸方向から見て、磁石穴３１ａは、永久磁石３１を挿入した状態において、永久磁石３１の２つの長辺３１０を支持するとともに、永久磁石３１の２つの短辺３１１それぞれの中央部近傍から内径側を支持する。また、回転軸方向から見て、磁石穴３１ａには、永久磁石３１を挿入した状態において、永久磁石３１の２つの短辺３１１それぞれの中央部近傍から外径側を覆うとともに、周方向に突出した空隙部３１ｂが形成されるように構成されている。

また、本実施形態では、凸極部３０ｂには、円弧部３０ａの周方向の両側の端部である接続部Ａからブリッジ部３０ｃの端部まで半径方向の内側に傾斜して延びる直線部３０ｅが設けられている。直線部３０ｅは、回転軸方向から見て、直線状に延びており、最外周円３００よりも内径側に設けられている。また、円弧部３０ａの周方向の中心の接線方向における、円弧部３０ａの両端の接続部Ａ間の長さＬ１（図２参照）は、ブリッジ部３０ｃと直線部３０ｅとの接続部Ｂ間の長さＬ２（図２参照）よりも小さくなるように構成されている。具体的には、長さＬ１および長さＬ２は、Ｌ２／Ｌ１が１より大きく３以下となるように構成されている。なお、接続部Ａは、特許請求の範囲の「円弧部の周方向の両側の端部」の一例である。また、接続部Ｂは、特許請求の範囲の「直線部と交わるブリッジ部の両端部」または「第１のブリッジ部の一端」の一例である。

また、本実施形態では、図２および図３に示すように、ブリッジ部３０ｃは、直線部３０ｅ（図３参照）の外側端部（接続部Ｂ）に接続される第１のブリッジ部３０１ｃと、第１のブリッジ部３０１ｃの外側端部（接続部Ｃ）に接続され、回転軸方向から見て、第１のブリッジ部３０１ｃの延びる方向に対してより半径方向の内径側に傾斜して延びる第２のブリッジ部３０２ｃとを有する。また、隣接する永久磁石３１のうちの一方に対応する凸極部３０ｂの一方側に設けられる第２のブリッジ部３０２ｃと、隣接する永久磁石３１のうちの他方に対応する凸極部３０ｂの他方側に設けられる第２のブリッジ部３０２ｃとは直接的に接続されている。

図３に示すように、ロータコア３０は、隣接する第２のブリッジ部３０２ｃ同士の接続部Ｄと、ロータコア３０の内径側とを連結するとともに永久磁石３１の短辺３１１を支持する連結部３０ｆを有する。具体的には、第１のブリッジ部３０１ｃは、回転軸方向から見て、永久磁石３１の外径側の長辺３１０の端部３１０ａの近傍に沿って延びている。第２のブリッジ部３０２ｃは、回転軸方向から見て、空隙部３１ｂの外径側の辺３１０ｂに沿って延びている。また、接続部Ｄと、ロータコア３０の回転中心３０ｄ（図２参照）とを通る線分α（図２参照）は、隣接する磁石穴３１ａ同士の間に設けられる連結部３０ｆを通る。また、ブリッジ部３０ｃおよび連結部３０ｆはそれぞれ、フラックスバリアとして機能する。

また、本実施形態では、連結部３０ｆは、永久磁石３１の短辺３１１を支持するように、半径方向の中央部近傍の周方向の幅Ｗ１が、他の部分の周方向の幅よりも大きくなるように構成されている。具体的には、連結部３０ｆは、外径側から中央部に向かって、徐々に幅が大きくなり、中央部から内径側に向かって幅が徐々に小さくなっている。

また、本実施形態では、第１のブリッジ部３０１ｃの第１のブリッジ部３０１ｃが延びる方向と直交する方向の最小の幅Ｗ２と、第２のブリッジ部３０２ｃの第２のブリッジ部３０２ｃが延びる方向と直交する方向の最小の幅Ｗ３と、連結部３０ｆの連結部３０ｆが延びる方向と直交する方向の最小の幅Ｗ１とが等しくなるように構成されている。具体的には、回転軸方向から見て、第１のブリッジ部３０１ｃおよび第２のブリッジ部３０２ｃのそれぞれは、一様に延びているので、第１のブリッジ部３０１ｃの第１のブリッジ部３０１ｃの延びる方向と直交する方向の幅は一様にＷ２であり、第２のブリッジ部３０２ｃの第２のブリッジ部３０２ｃの延びる方向と直交する方向の幅は一様にＷ３である。また、磁石穴３１ａの一方側の空隙部３１ｂと、隣接する磁石穴３１ａの他方側の空隙部３１ｂとが最も接近している部分において、連結部３０ｆが延びる方向と直交する方向の幅が最小値Ｗ１となる。

また、直接的に接続される第２のブリッジ部３０２ｃ同士の間には、内径側に窪んでいる凹部３０ｇが設けられている。具体的には、接続部Ｃが最外周円３００上にあるとともに、接続部Ｄが最外周円３００の内径側にあるので、第２のブリッジ部３０２ｃ同士の間に凹部３０ｇが形成される。

また、直接的に接続される第２のブリッジ部３０２ｃ同士は、Ｖ字形状に配置されている。具体的には、第２のブリッジ部３０２ｃは、回転軸方向から見て、凹部３０ｇが形成されるように、直線状に延びており、Ｖ字形状に配置されている。

また、磁石穴３１ａは、磁石穴３１ａに永久磁石３１を埋め込んだ状態で、永久磁石３１の内径側の端部３１０ｃ近傍に、空隙部３１ｃを有するように構成されている。具体的には、回転軸方向から見て、永久磁石３１の内径側の長辺３１０の端部３１０ｃ近傍を覆うとともに、内径側に突出した半円状の空隙部３１ｃが設けられている。

［本実施形態の効果］
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、凸極部３０ｂの円弧部３０ａの曲率を、ロータコア３０の最外周円３００の曲率と等しくなるように構成することによって、凸極部３０ｂの円弧部３０ａの曲率が、最外周円３００の曲率よりも大きい場合に比べて、永久磁石３１の周方向の幅を小さくすることなく磁石穴３１ａおよび永久磁石３１をより径方向外側に配置することができる。これにより、永久磁石３１の表面積の低下を抑制することができる。その結果、磁束量の低下に起因したモータトルクの減少を抑制することができる。

また、本実施形態では、半径方向の内側に傾斜した直線部３０ｅを設けることによって、円弧部３０ａの周方向の両側の接続部Ａからブリッジ部３０ｃまで円弧で接続する場合に比べて、ロータコア３０の外周面と永久磁石３１との間の距離が小さくなるので、ブリッジ部３０ｃの、直線部３０ｅに接続されている部分の近傍がより細くなる。これにより、ブリッジ部３０ｃの磁気的抵抗を増大させることができるので、ブリッジ部３０ｃからの磁束の漏れを抑制することができる。また、円弧部３０ａの両端間の長さを、直線部３０ｅと交わるブリッジ部３０ｃの両端部間の長さよりも小さくすることによって、円弧部３０ａの両端間の長さが、直線部３０ｅと交わるブリッジ部３０ｃの両端部間の長さ以上である場合よりも、直線部３０ｅとブリッジ部３０ｃとが接続される角度が大きくなる。その結果、ロータコア３０の回転によって凸極部３０ｂにかかる遠心力による荷重が、ブリッジ部３０ｃと直線部３０ｅとの接続部Ｂに集中することを抑制することができる。これにより、ロータコア３０の耐久性を向上させることができる。

また、本実施形態では、永久磁石３１が連結部３０ｆまで延びる構成となるので、永久磁石３１の周方向の幅が大きくなり、その結果、ステータコア２０に対向する永久磁石３１の表面積を低下を抑制することができるとともに、磁束量の低下に起因したモータトルクの減少をさらに抑制することができる。

また、本実施形態では、永久磁石３１の短辺３１１と連結部３０ｆとが接するので、容易に永久磁石３１を支持することができる。また、連結部３０ｆの周方向の幅が、一様に半径方向の中央部近傍の周方向の幅（たとえば、Ｗ１）である場合よりも、連結部３０ｆの周方向の最小幅が小さくなるので、連結部３０ｆの磁気的抵抗を増大させることができ、その結果、連結部３０ｆからの磁束の漏れを抑制することができる。

また、本実施形態では、第１のブリッジ部３０１ｃ、第２のブリッジ部３０２ｃ、および、連結部３０ｆのそれぞれによって応力が分散されるので、ロータコア３０の耐久性を向上させることができる。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、第１のブリッジ部の幅と第２のブリッジ部の幅と連結部の最小幅とが等しい例を示したが、本発明は、これに限られない。たとえば、本発明では、第１のブリッジ部の幅または第２のブリッジ部の幅のうちの一方と、連結部の最小幅とが等しくなるように構成してもよい。

また、上記実施形態では、永久磁石が６個埋め込まれている例を示したが、本発明は、これに限られない。本発明では、６個以外（たとえば８個）の永久磁石が埋め込まれるように構成してもよい。

また、上記実施形態では、第１のブリッジ部および第２のブリッジ部のそれぞれの幅が一様である例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１のブリッジ部および第２のブリッジ部のそれぞれの幅が一様でなくてもよい。

また、上記実施形態では、空隙部３１ｃが半円状である例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、空隙部３１ｃが半円状でなくてもよい。

［付記項］
なお、上記一の局面による回転電機において、以下のような構成も考えられる。

（付記項１）
上記第１のブリッジ部および第２のブリッジ部を有する回転電機において、好ましくは、第１のブリッジ部および第２のブリッジ部はそれぞれ、ロータコアの最外周円よりも内径側に設けられる。

このように構成すれば、ロータコアの回転によって、第１のブリッジ部および第２のブリッジ部のそれぞれが、ステータコアと干渉することがない。したがって、ステータコアとロータコアの間のギャップを広げる必要がなく、磁束密度の低減を抑制することができるので、モータの出力の低減を抑制することができる。

（付記項２）
上記第１のブリッジ部および第２のブリッジ部を有する回転電機において、好ましくは、直接的に接続される第２のブリッジ部同士の間には、内径側に窪んでいる凹部が設けられている。

このように構成すれば、第２のブリッジ部同士が接続される部分の幅が小さくなるので、第２のブリッジ部の磁気的抵抗が増加し、第２のブリッジ部からの磁束の漏れを抑制することができる。

（付記項３）
上記凹部が設けられている回転電機において、好ましくは、直接的に接続される第２のブリッジ部同士は、Ｖ字形状に配置されている。

このように構成すれば、容易に凹部を形成することがことができる。

（付記項４）
上記一の局面による回転電機において、好ましくは、磁石穴は、磁石穴に永久磁石を埋め込んだ状態で、永久磁石の内径側の端部近傍に、空隙部を有するように構成されている。

このように構成すれば、磁石穴に永久磁石の逃げができるので、容易に永久磁石を磁石穴に挿入することができる。

２０ ステータコア
３０ ロータコア
３０ａ 円弧部
３０ｂ 凸極部
３０ｃ ブリッジ部
３０ｄ 回転中心
３０ｅ 直線部
３０ｆ 連結部
３０ｇ 凹部
３１ 永久磁石
３１ａ 磁石穴
３１ｃ 空隙部
１００ 回転電機
３００ 最外周円
３０１ｃ 第１のブリッジ部
３０２ｃ 第２のブリッジ部
３１１ 短辺
Ａ 接続部（円弧部の周方向の両側の端部）
Ｂ 接続部（直線部と交わるブリッジ部の両端部）（第１のブリッジ部の一端）
Ｃ 接続部（凸部）（第１のブリッジ部の他端）
Ｄ 接続部
Ｌ１ 接続部Ａ同士の間の長さ
Ｌ２ 接続部Ｂ同士の間の長さ
Ｗ２ 第１のブリッジ部の幅（最小の幅）
Ｗ３ 第２のブリッジ部の幅（最小の幅）
Ｗ４ 連結部の最小の幅

Claims (3)

1. ステータコアと、
   前記ステータコアに対向するように設けられ、複数の永久磁石が埋め込まれた磁石穴を有するロータコアとを備え、
   前記ロータコアは、前記永久磁石よりも径方向外側に突出するとともに、前記ロータコアの最外周円の曲率と等しい円弧状の円弧部を有する凸極部と、前記凸極部の周方向の両側に設けられるとともに、半径方向外側に突出する凸部を有し、前記凸部が前記ロータコアの最外周点を通る前記最外周円の範囲内に設けられるブリッジ部とを有し、
   前記凸極部は、前記円弧部の周方向の両側の端部から前記ブリッジ部の端部まで半径方向の内側に傾斜して延びる直線部をさらに有し、
   前記直線部は、前記ロータコアの前記最外周円よりも内径側に設けられ、
   前記凸極部の前記円弧部の両端間の長さは、前記凸極部の両端に設けられた前記直線部と交わる前記ブリッジ部の両端部間の長さよりも小さくなるように構成されており、
   前記ブリッジ部は、一端が前記直線部の端部に接続される第１のブリッジ部と、前記第１のブリッジ部の他端に接続され、前記他端から半径方向の内径側に傾斜して延びる第２のブリッジ部とを有し、
   隣接する前記永久磁石のうちの一方に対応する前記凸極部の一方側に設けられる前記第２のブリッジ部と、隣接する前記永久磁石のうちの他方に対応する前記凸極部の他方側に設けられる前記第２のブリッジ部とは接続されており、
   前記ロータコアは、隣接する前記第２のブリッジ部同士の接続部と、前記ロータコアの中心側とを連結するとともに断面が矩形形状の前記永久磁石の短辺を支持する連結部を有する、回転電機。
2. 前記連結部は、前記永久磁石の短辺を支持するように、半径方向の中央部近傍の周方向の幅が、他の部分の周方向の幅よりも大きくなるように構成されている、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記第１のブリッジ部の前記第１のブリッジ部が延びる方向と直交する方向の最小の幅、または、前記第２のブリッジ部の前記第２のブリッジ部が延びる方向と直交する方向の最小の幅のうちの少なくとも一方は、前記連結部の前記連結部が延びる方向と直交する方向の最小の幅と等しくなるように構成されている、請求項１または２に記載の回転電機。

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