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欧宝爱游戏体育:微型永磁直流电动机PPT讲座(第一讲)概要

作者:欧宝体育app注册入口 来源:欧宝app注册网站 发布时间:2022-07-11 14:17:20

微型永磁直流电动机PPT讲座(第一讲)概要

  通过本次培训使参加培训人员了解以 下问题: 1.微型永磁直流电动机特点、用途、分 类及工作原理等 2.永磁直流电动机磁路设计 3.永磁直流电动机零部件设计 4.微型永磁直流电动机电磁设计

  微型永磁直流电动机是指用永磁材 料(或加上铁磁材料)制成磁极,以 建立电动机所需要的激磁磁场的一类 直流电动机。

  微型永磁直流电动机具有结构简单;效率高,出力大;体积 小,重量轻;用铜量少;换向性能较好,以及具有下垂的机械 特性,调速范围宽;起动转矩大等特点。

  a.按性能和特性可分为:经济型;精密型;动力型。 b.按运动方式可分为:旋转式和直线式(如音圈电机)。 c. 按结构特点可分:有槽式和无槽式。而无槽式又可分为有 铁芯的和无铁芯的。 d.按是否带有电刷可分为:有刷永磁直流电动机和无刷永磁 直流电动机。

  将电能从电网输入电动机后,通过电动机内部的电磁作用转为 机械能,带动机械负载旋转做功。作用在转轴和负载上的转矩,是 由转子线圈中的电流同气隙中的磁场相互作用产生的。而磁场是由 永磁体组成的磁极产生的。

  在电动机内部的能量转换过程中,含四种能量形式:电能、机械 能、磁场储能、热能。

  电网输入电动机的电能=电动机内部磁场储能的 增量电动机内部转换为热能的能量损耗电动 机机械能输出

  根据毕奥—萨伐电磁力定律,通电导体在磁场中将受到电磁 力作用,并且电流方向、磁场方向以及电磁力方向符合左手定则。 如图1所示。电动机转子线圈在定子磁场中,线圈两边将受到电磁 力的作用,而形成电磁转矩,如图2所示。

  通常在电动机的一个磁极下,气隙磁通沿电枢铁芯外圆圆周分布是不均匀的。 在磁极的中心位置磁通 磁密度B最大,且从磁极中心线位置向两磁极边缘时,磁通 密度逐渐变小,直至为零。磁通密度为零的位置恰好处在两磁极间的几何中心线

  电磁力F的单位:N; 通电导体在磁场所处的位置的磁通密度B的单位:T; 电流Ia的单位:A; 通电导体在磁场中的有效长度Lδ的单位:m。

  如果在磁场中电枢上有一匝线圈通以不变的电流Ia,那末,由一匝线圈的两个 边产生的电磁力在一个磁极下就形成的电磁转矩的平均值为:

  —电枢导体在气隙中的有效长度(也称计算长度),单位m; —电枢导体中的电流,单位A; —电枢铁芯外圆直径,单位m。 电动机每极的磁通量为:

  若一根导体,在磁通密度为B(单位为:T)的磁场中,并接上外加电压为 的直 流电源后,有电流 流过,导体将受到电磁力F的作用,并以线速度 (单位: )运动, 如图6所示。

  根据法拉第电磁感应定律,运动导体切割磁场的磁力线将产 生感应电势e,感应电势e加上导体电阻r上的电压降 ,同外加电 压 平衡: 感应电势e的大小为: e BL (V )

  式中, ——为导体在磁场中的有效长度,单位为m。 感应电势e的方向可用右手定则确定。 在电机学中,e称运动电势或切割电势或旋转电势。

  其中, 称为电磁转矩系数,单位为 。它是直流电动机的主 要参数,在给定负载转矩情况下,它决定了电动机的输入电流值; 它也是直流电动机主要的设计参数。

  B、同转速有关的损耗为: (1)电刷接触损耗 ,也与转速有关。 (2)换向损耗 。 (3)转子铁芯损耗 。它分为涡流损耗和磁滞损耗。 (4)风损和摩擦损耗,统称为机械损耗 。包括:电 刷与换向器的摩擦损耗 ;轴承摩擦损耗 ,电 枢与空气的摩擦损耗 。它们都与转速有关,随转 速的升高而增大。若电枢还带有风扇,还应加上风扇 引起的损耗 。

  机械特性是指当加到电动机电枢回路上两端的电压一定时,转速随 着转矩的变化而变化的特性曲线。

  每一个电压对应着一条特性曲线。下面分析可知,这条特性曲线是 一条下垂的直线,即随着转矩(横坐标)的增大,转速随之成正比例降 低(纵坐标),如图8所示。

  式中,U ——电枢回路上两端的电压(V); raj ——电枢电阻( );T ——负载转矩( N m );Tf —— 电动机内部的机械损耗转矩( N m )。经验表明,同一台永磁直流电动机在一般正常转速范围内(含空载), 由铁芯损耗和机械损耗所产生的阻力矩基本不变。可用空载时的损耗所对应的转矩T ,来替代Tf 。

  IO ——为电动机空载时的损耗转矩所对应的电流。由公式(17)和公式(18)可得,

  已知机械特性,可进行如下计算: (1)已知机械特性,可求得对应机械特性上各点的输出功率 和最大输出功率 运行点:

  公式(21)表明,输出功率 P2随负载转矩T变化的关系是一条二次抛物线/cn 时,即堵转转矩时,P2 =0,因此,中间有一 个最大输出功率 值 。

  公式(28)表明:电动机的最大效率,取决于空载时电枢电阻压降的相 对值;在端电压 一定的情况下,取决于空载电流和电枢电阻。空载电流 由对应于转子铁芯损耗和机械损耗的损失转矩决定。

  从上面的分析可知,最大输出功率对应于二分之一空载转速,此时的效 率较低,经验表明,在50%以下。因此,电动机不常在最大输出功率点上运 行。最大效率点的输出功率一般小于最大输出功率,其对应的转速也较高, 电动机的额定运行点通常取在其附近。

  物理量的值主要由 值决定。将公式(28)、(29)、(30)、(31)、

  调节特性是指当加到电动机转轴上的负载转矩一定时,转速随着加到电 枢回路两端的电压的变化而变化的特性曲线。每一个负载转矩对应着一条特 性曲线)可以看出,是一条直线,即随着电压(横坐标)的增 大,转速随之正比例升高(纵坐标),如图9所示。

  稳速微型永磁直流电动机的功能是,当加到电枢回路两端的电压在容许 的范围内变化时,以及加到电动机转轴上的负载转矩在容许的范围内变化时, 电动机的转速应保持恒定。分下列三种情况: (1)电枢回路两端电压恒定,负载转矩变化时,转速的稳定性用百分数来表示。 即定义为: 1/2额定负载转矩时转速与额定负载转矩时转速之差对额定负载 转矩时转速之比的百分数,称为电压一定时的转速稳定度,用 K1表示。

  式中,nN ——额定负载转矩时的转速; n1/2—— 1/2额定负载转矩时的转速。 K1一般在1.5%~3%范围内。

  (2)负载转矩恒定,电枢回路两端电压变化时,转速的稳定性用百分数来表示。 即定义为:电压自最大使用电压降低到最小使用电压时,两个转速之差对最 小使用电压的转速之比的百分数,称为转矩一定时的转速稳定度,用 K2表示。

  式中,nvmax ——最大使用电压时的转速; nvmin——最小使用电压时的转速。 K2一般在1.5%~3%范围内。

  (3)加到电枢回路两端的电压以及加到电动机转轴上的负载转矩在容许的范围 内变化时,转速的稳定性用百分数来表示。即定义为: 1/2额定负载转矩时 最大使用电压下转速与额定负载转矩时最小使用电压下转速之差同额定负载 转矩时最小使用电压下转速之比的百分数,称为综合转速稳定度,用 K3表示。

  式中, —— 额定负载转矩时最大使用电压下的转速; ——额定负 载转矩时最小使用电压下的转速。 K3一般在2%~5%范围内。

  稳态运行的稳速微型永磁直流电动机的转速实际上是不断变化的。这些 变化,大致可分为三类:转速漂移(转速随时间做较缓慢的变化);转速抖 动(转速随时间作很快的变化);转速扰动(转速变化是一种突变的性质)。

  由于引起变化的原因很多,不是唯一的。一种原因可以引起漂移,也可 以引起抖动或扰动。所以,对规定的转速n稳定度也可统一定义为:

  电枢回路两端电压为额定值时,起动转矩同额定转矩之比,称为起动转 矩倍数,用 Kst表示。一般 Kst=4~6倍,有的情况可达 Kst=8~10倍,甚至更 大。

  当用于自动化装置中作为执行元件——伺服电动机时,一般还应具有如 下特性: (1)快速响应,即机电时间常数要小; (2)控制灵敏,在低信号电压下起动性能好,控制信号死区小,即起动电压小。

  将永磁材料制成等截面的磁环。在环上均匀地绕上线圈。若线圈中流有 电流I,如图10所示。对磁环的进行充磁磁化,可得到磁滞回线

  当增大电流,使磁场强度H达到HS时,磁环已达到饱和,其饱和磁感应 强度(也称磁通密度)为BS。减小电流使H逐渐单方向降低到零,则磁感应 强度并不降到零,而降到Br,这个Br称为剩余磁感应强度。若从这点开始改 变电流方向并使反向电流不断增大,则H也改变了方向并单方向不断增大到 HC,使磁感应强度降低到零,这个HC称为矫顽力。它和Br是永磁材料的主 要性能参数。从Br到HC的曲线段是在第二象限,称为退磁曲线,即 曲线。B 的单位为:T,H的单位为 。

  但是,在磁性材料中的这类铁磁物质中,由于在外磁场作用下被磁化后 将会大大增强其磁场。这是因为这类铁磁物质都是由晶体构造,每个晶体内 有许多很小的自发磁化区域,叫做磁畴。每个磁畴含有1015个原子,每个原 子中的不成对的电子自旋形成磁畴的磁矩 。因此种磁矩是无序排列(紊乱 的),所以在铁磁物质内部合成的磁化强度等于零。在外磁场的作用下磁矩

  的方向改变和畴壁的移动,呈现有序排列。因此,在宏观上大大增强磁场。 也即磁性材料在外磁的作用下被磁化后大大加强了磁场。所以,公式(45) 可写为

  式中 是铁磁物质被磁化后内在的磁感应强度称为内禀磁感应强度 称磁极化强度 。

  的材料为均匀磁性材料而且磁场为均匀磁场,H 、 M 、 B 均沿着圆周,且方向

  3.1 永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和 内禀退磁曲线中可知,当电流I继续反向增大到使磁场强度

  上述的闭合磁环,即使充好磁,使其磁化,其内部存在剩余磁感应强 度 ,也不能在外界产生有用的磁场。就好像一台发电机在短路状态,对外 界不能输出电功率。若充好磁的磁环中存在一个缺口,形成一个气隙 ,那 末,在气隙的两端就形成了两个磁极N和S,如图12所示。根据磁通连续性 原理,磁通是连续的,如果气隙的截面和磁环的截面一样,则磁环内的磁通 密度 和气隙中磁通密度 的大小及方向完全相同。但是,磁场强度是 不连续的。根据全电流定律,有:

  3.1 永磁材料的磁滞特性及其退磁曲线和 内禀退磁曲线)为一直线方程式,在B-H坐标上,其斜率

  Hm的物理意义是:由于永磁体(磁环)不是无限长,其两端要出现磁 极,此磁极在其内部形成一个与原磁化方向相反的“自退磁场”。所以,

  合磁环中,充磁后的剩磁为Br ,而磁环开一个口,永磁体(磁环)内磁通 密度从Br下降到 Bm的原因。 若将退磁曲线的纵坐标乘以磁环的截面积 Sm, 得到磁通量 的坐标,将横坐标乘以磁环在磁化方向的平均长度 hm,得磁 势F的坐标,

  铸造型铝镍钴永磁Br最高可达1.35T,但矫顽力HC低,通常小于 160KA/m,内禀矫顽力同HC接近,相差不大,而且退磁曲线是非线性的; 铸造型铁氧体永磁Br较低,一般为0.2~0.45T,矫顽力HC比较高,为128~ 320KA/m,高的可达350 KA/m左右,内禀矫顽力同HC接近,相差也不大, 退磁曲线基本上是一条直线;稀土永磁,如铸造稀土钴永磁Br值较高,一

  般为0.85~1.15T,矫顽力HC为480~800 KA/m,内禀矫顽力比HC大,退磁 曲线基本上是一条直线;又如铸造型钕铁硼永磁,Br一般为1.02~1.25T,最

  磁感应强度沿图14中的退磁曲线段BrP下降。如果在下降到P点时消去外加磁 场强度HP,则磁感应强度并不会沿退磁曲线段BrP回复到Br点,而是沿另一 曲线段PBR上升到R点。若再施加去磁磁场,则磁感应强度沿曲线段RB/P下

  过第一次的值HP,则磁感应强度沿回复线 作可逆变化。如果去磁磁场强 度大于HP,比如, HQHP,则磁感应强度下降到新的起始点Q,沿新的回 复线 变化,不能再沿原来的回复线 变化。回复线的平均斜率与线 的比值μ称为相对回复磁导率,简称回复磁导率(也称回复系数或可 逆磁导率)。

  当退磁曲线为非线性时,μr 的值与起始点的位置有关,不是常量,而 是变量。但通常变化较小,可近似地认为是一个常数,且近似等于退磁曲 线)点处的切线的斜率值。

  对于铁氧体永磁,因其退磁曲线基本上为一直线,只要当磁场强度不 超过其拐点K处,回复线同退磁曲线的直线段KT相重合。如果超过了拐点K, 比如 在M点,那末,回复线便是 , 不再同退磁曲线直线所示。

  对于稀土永磁,因其退磁曲线全部为直线,因此,回复线完全同退磁 曲线重合。

  J/m3。图15的左边为退磁曲线;右边画出B同乘积BH的关系曲线,即磁能

  积曲线。对应某一个磁感应 强度Bd时,有最大磁能积(BH)max。永磁材料的磁性能除Br和HC外, (BH)max也是一重要参数。

  积BH的关系曲线,即磁能积曲线。对应某一个磁感应强度Bd时,有最大磁能积(BH)max。 永磁材料的磁性能除Br和HC外,(BH)max也是一重要参数。

  当温度从t0升高到t1时,磁感应强度B则从B0降低到B1。如图16所示。但是, 当温度从t1再降低到t0时,磁感应强度B不再回到B0,而是降低了,回到 B0, 以后随温度在t0和t1之间的变化,磁感应强度B则在 B0和B1之间变化。

  永磁材料的可逆损失,经重新充磁磁化后能够恢复,而不可逆损失则 不可能恢复的。因为在此温度下引起永磁体微结构的变化,造成不可能再 恢复了。比如,钕铁硼在较高温度下引起了氧化,会造成不可逆损失。

  材料手册中,通常提供的剩余磁感应强度Br的值为室温t0=20℃时数值。 那末,在工作温度t1时的剩余磁感应强度Br t1则为:

  永磁剩余磁感应强度温度系数 为:–(0.18~0.20)%K-1,但矫顽力的温

  其 基本上同 。稀土钴永磁的 =–0.03% K-1,其 基本上同 。钕铁硼永磁

  (2) 磁稳定性 永磁材料的磁性能会受到外界磁场干扰而发生变化。前面已说过,永 磁材料的内禀矫顽力 越大,内禀退磁曲线的矩形度越高(也即HK越大), 那末,抗外界磁场的干扰能力就越强,磁稳定性就越好。当 和HK大于某一 定值后,其退磁曲线全部是直线。因此,回复线与退磁曲线相重合,外界 磁场干扰就不会造成不可逆去磁。 (3)化学稳定性 永磁材料受到酸、碱、氧气、氢气等的化学作用,其内部或表面化学 结构会发生变化,将严重损害其磁性能。比如,钕铁硼永磁材料的成份大 部分是铁和钕,容易氧化,需在制造永磁体时采取措施防止其氧化。 (4)时间稳定性 永磁材料经充磁磁化后,即使不受温度、外界磁场以及化学因素的影 响,其磁性能也会随时间而变差。这种变化同材料的内禀矫顽力 Hci大小以 及永磁体的尺寸形状有关。比如,同永磁体细长比的大小有关。 (5)冲击和振动稳定性 永磁材料经充磁磁化后,如果受到外界冲击和振动,也会使其磁性能 发生变化。因此,永磁体充磁后,应避免过大的冲击和振动。

  (1)铁氧体(Ferrite)永磁 分:锶铁氧体和钡铁氧体。锶铁氧体的矫顽力比钡铁氧体的矫顽力大,

  更适合于在微电机中使用。永磁体的制造过程中,存在有各向同性和各向 异性两种。由于不含镍、钴等贵金属,因此,成本低,价格低廉。它的剩 余磁感应强度Br较低,矫顽力HC相对较大,为铝镍钴的2倍左右,而且退磁 曲线基本上为一条直线。因此,用它设计制造的电机一般可以不进行稳磁 处理。它的温度系数比较大,温度稳定性差。但是,由于矫顽力的温度系 数为正值,即矫顽力HC随温度的升高而增大,随温度的降低而减小,这点 很特别。因此在0℃以下温度储存和使用时要注意它的磁性变化。若设计不 合理,在低温下可能产生不可逆的去磁。此外,铸造型铁氧体永磁硬而且 脆,机械加工性能差;它是属非金属材料,不导电,不能线切割加工,仅 能切片及磨加工。

  (1)铁氧体(Ferrite)永磁 粘结型(或粉末烧结型)铁氧体永磁,因含有粘结剂使得磁性能比铸

  造型的差,其各向同性的剩余磁感应强度Br为0.15~0.17T,矫顽力HC为 110~135 KA/m,最大磁能积(BH)max为4~5.5KJ/m3,而各向异性的Br为 0.28~0.30T,HC为180~210 KA/m, (BH)max为15~16.5 KJ/m3。粘结型铁 氧体易制成形状复杂的磁体或薄壁环、薄片状磁体;尺寸精度高,不变形 (收缩率只有0.2~0.5%,而铸造型则为13~27%);磁性能分散性小;机械强 度高,不易破碎,可进行机械切削加工;电阻率高,易实现多极充磁;密 度小,质量轻。

  铸造型铁氧体永磁主要性能如表1所示。粘结型氧体永磁主要性能如表2 所示。

  各向同性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性

  各向异性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性

  各向异性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性 各向异性

  (2)铝镍钴(AlNiCo)永磁 铝镍钴永磁分各向同性和各向异性两种。由于含钴、镍等贵金属,因

  此,价格比铁氧体永磁贵。 它的剩余磁感应强度Br高,但矫顽力HC低,很容易退磁。所以,总是

  采用装配后充磁或者充磁后在保磁(用磁短路工具)情况下装配电机。它 的退磁曲线是非线性的。因此,用它设计制造的电机应该进行稳磁处理。 它的温度系数小,温度稳定性很好,可适用于超高温度使用,使用温度可 达300℃~450℃以上,而且耐腐蚀性能好。铸造型铝镍钴永磁硬而脆,仅能 进行磨削或线切割加工。

  稀土钴永磁的剩余磁感应强度Br和矫顽力HC都很高,Br接近铝镍钴永 磁的Br值,HC值约为铁氧体永磁的3倍,而且退磁曲线基本上是一条直线。 用它设计制造可以不进行稳磁处理。它的温度系数比铝镍钴稍高,但比铁

  (4)钕铁硼(NdFeB)永磁 钕铁硼永磁是被称为“磁王”的一代永磁材料。剩余磁感应强度Br、矫

  顽力HC和最大磁能积(BH)max都很高。Br值是铁氧体永磁的3~4倍,是铝镍 钴和稀土钴永磁的1~1.5倍;HC值是铁氧体永磁的5~10倍,是铝镍钴永磁的 5~15倍,是稀土钴永磁1.5倍; (BH)max值是铁氧体永磁的10倍,是铝镍钴永 磁的5~8倍,是稀土钴永磁的1.5倍。它的退磁曲线是一条直线。用它设计制 造的电动机不用进行稳磁处理。它的价格比稀土钴永磁便宜得多。它的居里 温度较低,温度系数较高,热稳定性差。另外,它含有大量的铁和钕元素, 因此,容易被氧化、锈蚀,特别是粘结型钕铁硼永磁,在粘结制造中由于溶 剂挥发后形成许多毛细孔,水份更易渗入永磁体内部,更加容易氧化。因此, 钕铁硼永磁的防潮、抗氧化是一个很重要的问题。

  (4)钕铁硼(NdFeB)永磁 钕铁硼永磁防潮、抗氧化一般采用:涂敷法、电镀法、纳米技术法等方

  法。对于涂敷法,如使用含溶剂的一些绝缘防潮材料喷涂来对永磁体进行表 面处理,当溶剂挥发后,在涂层中会出现 许多毛细孔,时间长了,水气就渗 入进去,使永磁体氧化。因此,要用无溶剂的而且是亲水性差的绝缘防潮材 料效果才会好。对于电镀法,用于铸造型钕铁硼效果好,但用于粘结型钕铁 硼效果不一定好。这是由于粘结制造中的溶剂的挥发会留下许多毛细孔,而 且这些孔洞和粘结剂不能构成导电回路,镀层金属材料不到这些地方,水气 照样会参入永磁体内部,使其氧化。因此,对于粘结型钕铁硼永磁使用纳米 技术法是较理想的防潮、抗氧化的方法。铸造型钕铁硼永磁的主要性能如表 6所示。粘结型钕铁硼永磁的主要性能如表7所示。

  钕铁硼永磁优点:设计制造的电机体积小、重量轻、出力大、效率高。 在电机体积或重量相同的情况下,电机额定输出功率可提高30~50%,甚至 可提高100%;在相同的额定输出功率条件下,电机的体积或重量减小三分之 一左右。电机用铁和用铜量可大幅度减速少,一般减少40%左右,同时电机 效率提高10~15%。

  钕铁硼永磁缺点:价格偏高、为铁氧体的10倍左右;温度系数大,居里 温度低,热温定性差,有氧化锈蚀问题。但是,这些缺点随着今后技术的发 展和推广应用将会逐步得到克服。

  铝镍钴永磁优点是:温度系数小,居里温度高,热稳定性好,抗氧化耐 腐蚀能力强,在军用精密永磁电机中应用有重要地位。缺点是:矫顽力低, 抗去磁能力差,且退磁曲线非线性,必须考虑可能遇到的最大去磁情况来进 行磁稳定处理,而且需消耗战略物资——镍和钴。 钕铁硼永磁优点是:矫顽力高10多倍,抗去磁能力强,最大磁能积高5倍以 上,且退磁曲线是一条直线,不需要进行稳磁处理。缺点是:温度系数大, 居里温度低,热稳定性差,抗腐蚀、抗氧化能力差。 c. 同稀土结永磁相比较

  稀土钴永磁同钕铁硼永磁一样,在磁性能上都非常优越,并兼有铁氧体 永磁和铝镍钴永磁的优点。但同钕铁硼相比,价格约贵4倍数左右且机械加 工性能差,易碎裂。稀土钴永磁需消耗战略物资——钴。不过,稀土钴永磁 热稳定性好,抗氧化和耐腐蚀能力强。因此,稀土钴永磁在军用电机中得到 一定的应用。

  (1)剩余磁感应强度Br:Br值高,电机可得到的气隙磁通密度Bδ也高,相应地 电机每极的气隙磁通量也大。因此,可得到较大的电磁转矩系数KT和电势系 数KE,因而,可获得高的电机效率η。 (2)矫顽力HC:HC值大,抗退磁能力强,电机过载能力强,而且可以获得较 高Bδ值。 (3)最大磁能积(BH)max:(BH)max值大,相应地电机所用材料也少。

  (4)内禀矫顽力Hci:Hc i值同温度稳定性有密切关系,Hc i值大,永磁体工作温 度可提高,且抗去磁能力强。

  如上所述各种永磁材料的性能相差很大而且各有其特点。因此, 在设计永磁电机时,应该选好合适的永磁材料种类及其牌号。选用 的原则如下: (1)在电机磁路设计合理的情况下,应能保证电机气隙中每极下有足 够的气隙磁通量,以便满足对电机的性能技术要求。 (2)在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证电机性能的 稳定。 (3)永磁体的结构形状和尺寸要适应电机结构上的要求,便利加工和 装配。 (4)要能满足电机设计成本要求,获得尽可能大的性价比,即经济性 要好。

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