JP6160397B2 - 回転電機ステータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電機ステータに係り、特に、ステータ巻線の中性線に温度センサが設けられる回転電機ステータに関する。

回転電機が動作すると、ステータに巻回された巻線の温度が上昇するので、その温度上昇を検出するために温度センサが設けられる。温度センサが設けられる位置として、ステータ巻線の中性線を用いることができる。

特許文献１には、回転電機におけるステータ巻線の中性線に設けられる温度センサが故障したとき取り替えやすいようにする構造として、中性線に接続される巻線の先端部を他の巻線の接続部よりもステータの軸方向に沿って長めとし、中性線と巻線の先端部における接続を剥がしやすくすることが述べられている。また、中性線に接続される巻線の先端部をステータの径方向に沿って外周側に延ばしても剥がしやすくなると述べている。

なお、本発明に関連する技術として、特許文献２には、ステータ構造において、スロット内に挿入される絶縁紙の剛性の不足をカバーするため、スロットに絶縁紙を挿入した後、コイルを巻回する前に、スロット形状に合わせたカフササポートと呼ばれる治具を挿入することが述べられている。これは、絶縁紙に剛性がないため、スロット内にコイルを巻回するときコイルをステータコアの端面の方向に強い力で捩じるとコイルがステータコアの端面に接触して損傷するおそれがあるため、これを防止するためである。

特開２０１３−１２１１８３号公報 特開２００６−２２３０５８号公報

ステータ巻線の中性線は、各相巻線の中性線側端部を相互に溶接等で接続するものであるので、溶接接続点の間の部分が片持ち梁のようになって固定されていない。固定されていない中性線に温度センサを設けると、温度センサも安定的に固定されない。例えば、その状態で外部振動等を受けると、温度センサの質量によって、中性線が振動しやすくなり、場合によっては十分な耐振動強度を確保できないことがある。

本発明の目的は、温度センサを安定して固定することができる回転電機ステータを提供することである。

本発明に係る回転電機ステータは、ステータコアに巻回される各相ステータコイルの一方側端部を互いに接続している中性線と、ステータコアの軸方向端面との間に隙間を有して配置された状態の温度センサと、ステータコアの軸方向端面と固定された状態で配置されており、絶縁体で構成される部品カフサと、を備え、温度センサは、部品カフサの上面に接着剤によって固定された状態であることを特徴とする。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、部品カフサの上面と温度センサの側壁面とで区画される区画部分と、各相ステータコイルのうちで中性線に一方側端部が接続されたステータコイルとの間に溜まった状態の接着剤によって、温度センサとステータコイルとが互いに固定された状態であることが好ましい。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、温度センサとステータコアの軸方向端面との間の隙間に流れた状態の接着剤によって、温度センサとステータコアの軸方向端面とが互いに固定された状態であることが好ましい。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、区画部分が、該区画部分に滴下された接着剤を外周側に流出することを抑制する接着剤溜まり部を形成することが好ましい。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、温度センサの少なくとも一部が接着剤で覆われた状態であることが好ましい。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、部品カフサの上面は、各相ステータコイルの一方側端部と中性線の端部との間を接続する際の位置決め基準であることが好ましい。

上記構成の回転電機ステータによれば、温度センサが部品カフサに接着剤によって固定されるので、温度センサを安定して固定できる。また、これによって温度センサが設けられる中性線の耐振動強度が向上する。

また、回転電機ステータにおいて、温度センサとステータコイルとが互いに接着剤で固定するので、温度センサを安定して固定できる。

また、回転電機ステータにおいて、温度センサとステータコアの端面とが互いに接着剤で固定するので、温度センサを安定して固定できる。

また、回転電機ステータにおいて、部品カフサの上面と温度センサの側壁面で囲まれた区画に接着剤を溜めることができるので、ステータの外周側に接着剤が流出することを抑制でき、温度センサを安定して固定できる。

また、回転電機ステータにおいて、温度センサの少なくとも一部が接着剤で覆われるので、例えば、ステータ冷却用の冷媒等に温度センサが直接さらされることが抑制される。これによって冷媒による温度センサの検出誤差を抑制できる。

また、回転電機ステータにおいて、ステータコイルの中性線側端部と中性線の端部とを接続するときの高さ基準として部品カフサの上面位置を用いるので、中性線の接続を安定して行うことができる。

本発明に係る回転電機ステータの構成図である。 本発明に係る回転電機ステータにおける各相コイルの接続配線図である。 本発明に係る回転電機ステータにおいて、部品カフサと温度センサと接着部の関係を示す図である。 本発明に係る回転電機ステータの分解構成図である。（ａ）は、ステータコアとスロットを示す図、（ｂ）は、保護形状部の長さが異なる２種類の部品カフサをステータコアに配置し各相コイルを挿入した状態を示す図、（ｃ）は、部品カフサを用いて各相コイルが折り曲げられた状態を示す図、（ｄ）は、温度センサを備えた中性線を示す図、（ｅ）は、保護形状部が長い部品カフサの上に温度センサを配置し接着剤で固定した状態を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、三相コイルの巻回方法として分布巻を述べるが、これは説明のための例示であって、中性線を用いるものであれば集中巻等であってもよい。また、中性線として、Ｕ相コイルの中性線側端部をＶ相コイルの中性線側端部と接続する第１中性線と、Ｕ相コイルの中性線側端部をＷ相コイルの中性線端部と接続する第２中性線の２本で構成されるものとして述べるが、これは説明のための例示である。これ以外の接続法であっても、Ｕ相コイルの中性線側端部とＶ相コイルの中性線側端部とＷ相コイルの中性線側端部とを相互に接続するものであればよい。

以下で述べる寸法、形状、コイルの本数、材質等は説明のための例示であって、回転電機ステータの仕様に応じ適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、回転電機ステータ１０の構成図である。この回転電機ステータは、三相同期型回転電機に用いられる固定子であって、ステータコア１２に各相コイル１４が分布巻で巻回される。各相コイル１４は、一方側の端部が駆動回路と接続され、他方側の端部はＹ結線方式を用いて中性線１６，１８で互いに接続され、この中性線１６にコイル温度を検出するための温度センサ３０が設けられる。ここで、温度センサ３０が振動でブラブラしないように、接着部５０（図３参照）でステータコア１２に固定される特徴を有する。

なお、図１に、回転電機ステータにおける軸方向、径方向、周方向を示した。軸方向については、一方端側と他方端側を示した。

ステータコア１２は、外周側のベース部と、内周側に周方向に沿って複数配置され径方向に突き出すティース６０と、隣接するティース６０の間で軸方向に貫通する空隙であるスロット６２を複数含む円環状の磁性体部品である。なお、ティース６０とスロット６２は、図４（ａ）を用いて後述する。

かかるステータコア１２は、ティース６０およびスロット６２を含む所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板を複数積層したものが用いられる。磁性体薄板としては、電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を所定の形状に一体化成形したものを用いることもできる。

各相コイル１４は、ステータコア１２に巻回されるステータコイルである。各相コイル１４は、適当な絶縁被覆が行われた導体線を所定の形状に曲げ成形し、これを、分布巻の配置方法で、周方向に沿って所定のスロット間隔だけ離れた複数のスロット６２の間に渡って配置し、回転電機ステータにおける三相巻線を形成するものである。

各相コイル１４に用いられる絶縁被覆付きの導体線としては、断面形状が矩形の平角線を用いる。平角線を用いることで、スロット６２内のコイル占積率の向上を図ることができる。平角線に代えて、断面が円形、楕円形のものを用いてもよい。

各相コイル１４としては、複数の導体セグメントで構成されるセグメントコイルを用いる。導体セグメントは、所定の長さの導体線を、必要に応じて所定の形状に曲げ加工したものである。導体セグメントとしては、周方向に沿って所定のスロット間隔だけ離れた複数のスロット６２の間に渡って配置するために、１本の導体線を予めＵ字形に成形したＵ字形導体セグメントやＶ字形に成形したＶ字形導体セグメントを用いることができる。

Ｖ字形導体セグメントの場合で説明すると、Ｖ字形の両脚部となる真っ直ぐな導体部が、ステータコア１２において周方向に所定のスロット間隔だけ離れた２つのスロット６２にそれぞれ挿入される。両脚部を結ぶＶ字形の頂部は、ステータコア１２の軸方向の一方端側に突き出して、一方端側のコイルエンド部となる。２つのスロット６２にそれぞれ挿入された脚部に相当する真っ直ぐな２つの導体部は、ステータコア１２の軸方向の他方端側にそれぞれ突き出すので、これを適当に曲げ成形してその先端部を接続端部とする。他の導体セグメントも同様にステータコア１２の軸方向の他方端側で適当に曲げ加工されて接続端部が形成される。接続端部等は、ステータコア１２の他方端側のコイルエンド部となる。そこで、同相のコイルを構成する複数の導体セグメントの接続端部同士を溶接等の適当な接続方法で順次電気的に接続することで、分布巻の各相コイル１４を形成することができる。

中性線１６，１８は、各相コイル１４の中性線側端部同士を接続する導体線である。中性線１６は、Ｕ相コイルの中性線側端部をＶ相コイルの中性線側端部と接続する中性線で、これを第１中性線と呼ぶ。中性線１８は、Ｕ相コイルの中性線側端部をＷ相コイルの中性線端部と接続する中性線で、これを第２中性線と呼ぶ。中性線１６，１８としては、各相コイル１４に用いられると同じ絶縁被覆付きの導体線であるが、各相コイル１４の中性線側端部同士を接続する導体線である。

各相コイル１４を各相ごとに区別して、Ｕ相コイル１４_U、Ｖ相コイル１４_V、Ｗ相コイル１４_Wと呼ぶ。Ｕ相コイル１４_U、Ｖ相コイル１４_V、Ｗ相コイル１４_Wのそれぞれは、一方側の端部が駆動回路側の端子２０と接続され、他方側の端部はＹ結線方式を用いて中性線１６，１８で互いに接続される。駆動回路側の端子２０は、駆動回路の各相出力端子であるので、これを各相ごとに区別して、端子２０_U、２０_V、２０_Wと呼ぶ。

図２は、Ｕ相コイル１４_U、Ｖ相コイル１４_V、Ｗ相コイル１４_Wの結線方法を示す図である。Ｕ相コイル１４_Uは、一方側の端部１４_UTが駆動回路側の端子２０_Uと接続され、他方側の端部は中性線側端部１４_UCとして、中性線１６のＵ相側端部１６_Uおよびもう一本の中性線１８のＵ相側端部１８_Uと接続される。Ｖ相コイル１４_Vは、一方側の端部１４_VTが駆動回路側の端子２０_Vと接続され、他方側の端部は中性線側端部１４_VCとして、中性線１８のＶ相側端部１８_Vと接続される。また、Ｗ相コイル１４_Wは、一方側の端部１４_WTが駆動回路側の端子２０_Wと接続され、他方側の端部は中性線側端部１４_WCとして、中性線１６のＷ相側端部１６_Wと接続される。

このようにして、Ｕ相コイル１４_U、Ｖ相コイル１４_V、Ｗ相コイル１４_Wのそれぞれの中性線側端部１４_UC，１４_VC，１４_WCが、２本の中性線１６，１８によって互いに接続される。

Ｕ相コイル１４_U、Ｖ相コイル１４_V、Ｗ相コイル１４_Wのそれぞれの一方側の端部１４_UT，１４_VT，１４_WTと、駆動回路側の端子２０_U、２０_V、２０_Wとのそれぞれの接続は、溶接によって行われる。また、Ｕ相コイル１４_U、Ｖ相コイル１４_V、Ｗ相コイル１４_Wのそれぞれの他方側端部である中性線側端部１４_UC，１４_VC，１４_WCとのそれぞれの接続も、溶接によって行われる。

温度センサ３０は、例えば、サーミスタを樹脂モールドしたものである。温度センサ３０は、中性線１６のＵ相側端部１６_UとＷ相側端部１６_Wとの間に配置される樹脂パッケージ部品である。温度センサ３０は、中性線１６を内部に通し、温度検出素子であるサーミスタ３２を内蔵する。サーミスタ３２からの２本の検出用端子３４は外部に引き出され、回転電機の制御装置等に接続される。

再び図１に戻り、部品カフサ４０は、スロット６２に挿入されて巻回される各相コイル１４が折り曲げ成形されるときに、ステータコア１２の端面と直接的に接触しないようにする保護部材で、絶縁材料で構成され、各相コイル１４とステータコア１２の軸方向の端面１３との間に配置される。

部品カフサ４０は、スロット６２の少なくとも外周側形状に沿う保護形状部４２を有する（図４（ｂ）参照）。部品カフサ４０は、各スロット６２毎に１つの部品として、スロット６２の貫通する空隙部の平面形状と同じ平面形状の溝部を有し、適当な厚さの細長い平板部品を用いることができる。保護形状部４２は、この溝部に挿入された各相コイル１４が折り曲げられたときに接触する部分の形状である。各相コイル１４の折り曲げは、溝部の肩のところで行われるので、溝部の肩のところから始まって、適当な幅の部分が保護形状部４２となる。

カフサは、カフササポートとも呼ばれ、引用文献２で示されるものは、各相コイル１４の曲げ成形の前にステータコア１２の端面１３上に保護形状部をスロット６２の貫通部形状に合わせて配置され、曲げ成形が終わると取り外される保護治具である。これに対し、図１の部品カフサ４０は、各相コイル１４の曲げ成形の前にステータコア１２の端面１３上に保護形状部をスロット６２の貫通部形状に合わせ、曲げ成形が終わっても取り外さずに、ステータコア１２の端面１３と折り曲げられた各相コイル１４に挟まれて固定された状態で留置される。したがって、部品カフサ４０は、回転電機ステータの構成部品である。

かかる部品カフサ４０は、適当な耐熱性と強度を有する樹脂材料を用いて所定の形状に成形したものを用いることができる。樹脂材料としては、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂等を用いることができる。

図４（ｂ）に示されるように、部品カフサ４０は、標準的な部品カフサ４０_Sと、延伸型の部品カフサ４０_Lが用いられる。この２つの違いは、ステータコア１２の端面１３の上に配置されたとき、径方向に沿った保護形状部４２の長さにある。延伸型の部品カフサ４０_Lの保護形状部４２_Lの径方向に沿った長さは、標準的な部品カフサ４０_Sの保護形状部４２_Sの径方向に沿った長さよりも長い。このように、延伸型の部品カフサ４０_Lは、標準型のものに比べ延伸した保護形状部４２_Lを有するので、以後、これを延伸保護形状部４２_Lと呼ぶ。ここで、延伸型の部品カフサ４０_Lは、温度センサ３０が配置される箇所において用いられる。

なお、全ての部品カフサ４０を延伸型の部品カフサ４０_Lとしてもよい。これにより、部品カフサ４０が１種類で済む。また、部品カフサ４０をスロット６２毎の個別部品とせずに、ステータコア１２に１つの一体化部品としてもよい。一体化部品の場合は、個別部品を配置した後、接合等によって一体化してもよい。

図３は、温度センサ３０と延伸型の部品カフサ４０_Lが配置される様子が示される。ここでは、各相コイル１４の内で、温度センサ３０を通る中性線１６に接続されるＷ相コイル１４_Wのみを示し、他の各相コイル１４の図示を省略した。ここでは、ステータコア１２のスロット６２が破線で示され、そのスロット６２の貫通部形状６３に溝部４３を合わせて延伸型の部品カフサ４０_Lがステータコア１２の他方端側の端面１３の上に配置される。

ここで、延伸型の部品カフサ４０_Lの径方向に沿った最外周側の位置をＬ_Lで示し、比較のために標準型の部品カフサ４０_Sを配置した場合の径方向に沿った最外周側の位置をＬ_Sで示した。延伸型の部品カフサ４０_Lの延伸保護形状部４２_Lは、標準型の部品カフサ４０_Sの保護形状部４２_Sよりも、径方向に沿って（Ｌ_L−Ｌ_S）＝ΔＬだけ長い。ΔＬは、延伸型の部品カフサ４０_Lの径方向に沿った外周側の先端部の位置が、温度センサ３０の下面３６とステータコア１２の端面１３との間の隙間に侵入して延伸されるように設定される。また、延伸型の部品カフサ４０_Lにおける延伸保護形状部４２_Lの厚さｔは、中性線１６に設けられる温度センサ３０の下面３６とステータコア１２の端面１３との間にある隙間の大きさと同じかそれ以上とすることがよい。

このようにすることで、中性線１６に設けられる温度センサ３０とステータコア１２の端面１３との間にあった隙間がなくなり、温度センサ３０の下面３６が延伸型の部品カフサ４０_Lの上面４１で支持される。

延伸型の部品カフサ４０_Lの延伸保護形状部４２_Lの上面４１と温度センサ３０の側壁面３８とで区画される部分は、ここに接着剤を滴下することで、接着剤が溜まり、外周側に接着剤が流出することを抑制できる。したがって、この区画された部分は、接着剤溜まり部を形成する。

接着部５０は、接着剤溜まり部に接着剤を滴下し、これを固化して形成される。これにより、固化した接着剤によって、温度センサ３０と延伸型の部品カフサ４０_Lとがしっかりと固定される。ここで、延伸型の部品カフサ４０_Lはステータコア１２に固定されているので、温度センサ３０が延伸型の部品カフサ４０_Lを介して、ステータコア１２に接着剤によって固定される。かかる接着剤としては、適当な耐熱性を有する樹脂を用いることができる。例えば、エポキシ樹脂等を用いることができる。

接着剤は、図３に示すように、接着剤溜まり部の作用により、温度センサ３０とＷ相コイル１４_Wとの間に溜まる。したがって、温度センサ３０とステータコイルであるＷ相コイル１４_Wとが接着剤によって互いに固定される。

なお、温度センサ３０と延伸型の部品カフサ４０_Lとの間に隙間が残っていても、その隙間に接着剤が入り込み、これが固化することで、温度センサ３０は延伸型の部品カフサ４０_Lにしっかりと固定される。また、その隙間を通って、温度センサ３０の下面とステータコア１２の端面１３との間の空間に接着剤が流れても、それが固化することで、接着部５１が形成され、温度センサ３０はステータコア１２の端面１３にしっかりと固定される。

このように、接着部５０，５１によって、温度センサ３０の少なくとも一部が接着剤で覆われるので、例えば、ステータ冷却用の冷媒等に温度センサ３０が直接さらされることが抑制される。これによって、冷媒が滴下等でかかることによって生じ得る温度センサ３０の検出誤差を抑制できる。

また、温度センサ３０の下面３６が延伸型の部品カフサ４０_Lの上面４１で支持されるので、温度センサ３０を通る中性線１６のＷ相側端部１６_Wの高さ位置が安定する。図３には、延伸型の部品カフサ４０_Lの上面４１を基準として、中性線１６のＷ相側端部１６_Wの高さ位置をＨとして示した。この高さ位置ＨをＷ相コイル１４_Wの中性線側端部１４_WCの高さ位置に合わせることで、中性線１６のＷ相側端部１６_WとＷ相コイル１４_Wの中性線側端部１４_Wとの溶接位置が揃い、溶接が容易になる。このように、延伸型の部品カフサ４０_Lの延伸保護形状部４２_Lは、各相コイルの中性点側端部と中性線の端部との間を接続する際の位置決め基準となる。

上記構成について、図４を用いてさらに詳細に説明する。図４は、回転電機ステータ１０を組立てる際の手順を示す分解図である。図４（ａ）は、ステータコア１２におけるティース６０とスロット６２の関係を示す図である。ここに示されるように、ティース６０は、ステータコア１２の内周側において径方向に突き出す突出部で、周方向に沿って複数配置される。スロット６２は、隣接するティース６０の間において、軸方向に貫通する空隙である。各相コイル１４は、スロット６２に挿入され、ティース６０に巻回される。

図４（ｂ）は、ステータコア１２に、標準的な部品カフサ４０_Sと、延伸型の部品カフサ４０_Lの２種類が配置され、Ｕ相コイル１４_U、Ｖ相コイル１４_V、Ｗ相コイル１４_Wが挿入された状態を示す図である。延伸型の部品カフサ４０_Lの延伸保護形状部４２_Lの径方向に沿った長さは、標準型の部品カフサ４０_Sの保護形状部４２_Sの径方向に沿った長さよりもΔＬだけ長い（図３参照）。

図４（ｃ）は、部品カフサ４０_S，４０_Lを用いて、Ｕ相コイル１４_U、Ｖ相コイル１４_V、Ｗ相コイル１４_Wがそれぞれ折り曲げられた状態を示す図である。Ｕ相コイル１４_U、Ｖ相コイル１４_V、Ｗ相コイル１４_Wは、ステータコア１２の端面１３に向かってかなり強く曲げられるが、絶縁材料で構成される部品カフサ４０_S，４０_Lがステータコア１２の端面１３の上に配置されているので、Ｕ相コイル１４_U、Ｖ相コイル１４_V、Ｗ相コイル１４_Wがステータコア１２に直接的に接触することがない。

図４（ｄ）は、温度センサ３０を備えた中性線１６を示す図である。中性線１８の図示は省略した。図４（ｅ）は、延伸型の部品カフサ４０_Lの延伸保護形状部４２_Lの上に温度センサ３０の下面３６を配置し、接着剤を用いて接着部５０を形成し（図３参照）、温度センサ３０をステータコア１２に固定した状態を示す図である。なお、ここでは、もう一つの中性線１８のＵ相側端部１８_Uが、Ｕ相コイル１４_Uの中性線側端部１４_UCと中性線１６のＵ相側端部１６_Uと溶接により接続される様子が示される。

１０ 回転電機ステータ、１２ ステータコア、１３ 端面、１４，１４_U，１４_V，１４_W 各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）コイル、１４_UC，１４_VC，１４_WC 中性線側端部、１４_UT，１４_VT，１４_WT （一方側である駆動回路側の）端部、１６，１８ 中性線、１６_U，１８_U （中性線の）Ｕ相側端部、１６_W （中性線の）Ｗ相側端部、１８_V （中性線の）Ｖ相側端部、２０，２０_U，２０_V，２０_W （駆動回路側の）端子、３０ 温度センサ、３２ サーミスタ、３４ 検出用端子、３６ 下面、３８ 側壁面、４０，４０_L，４０_S 部品カフサ、４１ 上面、４２，４２_S 保護形状部、４２_L （延伸）保護形状部、４３ 溝部、５０，５１ 接着部、６０ ティース、６２ スロット、６３ 貫通部形状。

Claims (6)

1. ステータコアに巻回される各相ステータコイルの一方側端部を互いに接続している中性線と、
   前記ステータコアの軸方向端面との間に隙間を有して配置された状態の温度センサと、
   前記ステータコアの前記軸方向端面と固定された状態で配置されており、絶縁体で構成される部品カフサと、
   を備え、
   前記温度センサは、前記部品カフサの上面に接着剤によって固定された状態であることを特徴とする回転電機ステータ。
2. 請求項１に記載の回転電機ステータにおいて、
   前記部品カフサの前記上面と前記温度センサの側壁面とで区画される区画部分と、前記各相ステータコイルのうちで前記中性線に前記一方側端部が接続されたステータコイルとの間に溜まった状態の接着剤によって、前記温度センサと前記ステータコイルとが互いに固定された状態であることを特徴とする回転電機ステータ。
3. 請求項１または２に記載の回転電機ステータにおいて、
   前記温度センサと前記ステータコアの前記軸方向端面との間の前記隙間に流れた状態の接着剤によって、前記温度センサと前記ステータコアの前記軸方向端面とが互いに固定された状態であることを特徴とする回転電機ステータ。
4. 請求項２に記載の回転電機ステータにおいて、
   前記区画部分が、該区画部分に滴下された接着剤を外周側に流出することを抑制する接着剤溜まり部を形成することを特徴とする回転電機ステータ。
5. 請求項１に記載の回転電機ステータにおいて、
   前記温度センサの少なくとも一部が前記接着剤で覆われた状態であることを特徴とする回転電機ステータ。
6. 請求項１に記載の回転電機ステータにおいて、
   前記部品カフサの前記上面は、
   前記各相ステータコイルの前記一方側端部と前記中性線の端部との間を接続する際の位置決め基準であることを特徴とする回転電機ステータ。

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