CN112260434A - 一种车用永磁同步电机转子总成、其设计方法及电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁同步电机技术领域，尤其涉及一种车用永磁同步电机转子总成、其设计方法及电机。本发明提供的车用永磁同步电机转子总成，包括转子轴、转子铁芯附磁钢组件和隔磁固定端板，转子铁芯附磁钢组件包括永磁体、转子铁芯和配重销，转子铁芯与转子轴键连接，转子铁芯上设置有永磁体槽和去重孔，永磁体插接入永磁体槽中，配重销插接入去重孔中；隔磁固定端板与转子轴键连接，两个隔磁固定端板分别设置在转子铁芯附磁钢组件的两端。所述车用永磁同步电机转子总成，通过在转子铁芯的去重孔中设置配重销，可省去动平衡板，同时可使隔磁固定端板的体重减小，减小隔磁固定端板的厚度，使转子总成的轴向长度缩短，降低产品重量及成本。

Description

一种车用永磁同步电机转子总成、其设计方法及电机

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，尤其涉及一种车用永磁同步电机转子总成、其设计方法及电机。

背景技术

随着新能源汽车的发展，电驱系统向高压、高速、小型化方向发展，因此其结构更加紧凑，对成本要求更高。若电机动平衡精度较低会产生振动噪音，对支撑轴承产生胁迫激励，使电机使用寿命降低，尤其车用驱动电机对NVH及可靠性要求更高，因此其动平衡精度等级要求也较高。

传统的永磁同步电机转子总成主要包含铁芯附磁钢总成、转子轴、动平衡端板等，其中转子总成动平衡精度等级通过在动平衡板上去重来实现，平衡板一般选择钢材、铝材，部分选择铜材为基础材料，可以起到一定的隔磁及固定永磁体作用，但此种方案势必会增加轴向长度，增加转子总成零部件成本及重量。同时传统的增重方法例如粘接平衡泥，其平衡泥在高转速及冲击恶劣工况下容易脱落，焊接螺母易产生焊接应力，螺纹连接配重方法，其扭矩存在衰减易出现连接不可靠的情况。

因此，亟待需要一种车用永磁同步电机转子总成以解决上述问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种车用永磁同步电机转子总成，能够减小轴向长度，降低产品重量及成本。

本发明的第二个目的在于提供一种车用永磁同步电机转子总成的设计方法，用于设计上述的车用永磁同步电机转子总成，采用设计与工艺相结合的增重动平衡设计方法，通过在设计阶段满足静平衡要求，在工艺装配阶段采用分段动平衡方法，减少初始动不平衡量，最后通过增重动平衡矢量分解算法，结合允许动不平衡量进行配重销增重位置及长度的确定，最终满足动平衡精度等级要求。

本发明的第三个目的在于提供一种电机，包括上述车用永磁同步电机转子总成，能够减小电机的轴向长度，降低产品重量及成本。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

第一方面，提供了一种车用永磁同步电机转子总成，包括：

转子轴；

转子铁芯附磁钢组件，包括永磁体、转子铁芯和配重销，所述转子铁芯与所述转子轴键连接，所述转子铁芯上设置有永磁体槽和去重孔，所述永磁体插接入所述永磁体槽中，所述配重销插接入所述去重孔中；

隔磁固定端板，与所述转子轴键连接，两个所述隔磁固定端板分别设置在所述转子铁芯附磁钢组件的两端。

作为所述的车用永磁同步电机转子总成的可选方案，所述车用永磁同步电机转子总成还包括锁紧螺母，所述锁紧螺母与所述转子轴螺纹连接，两个所述隔磁固定端板中的一个与所述转子轴上的轴肩相抵接，另一个与所述锁紧螺母相抵接。

作为所述的车用永磁同步电机转子总成的可选方案，所述去重孔包括内层去重孔和外层去重孔，多个所述内层去重孔环设形成第一虚拟圆形，多个所述外层去重孔环设形成第二虚拟圆形，所述第一虚拟圆形、所述第二虚拟圆形和所述转子铁芯同心设置。

作为所述的车用永磁同步电机转子总成的可选方案，至少两个所述永磁体槽形成一组V形永磁体槽，多组所述V形永磁体槽以所述转子铁芯的中心为圆心环设在所述转子铁芯上。

作为所述的车用永磁同步电机转子总成的可选方案，一组所述V形永磁体槽中包括两个沿所述转子铁芯径向排列的V字形。

作为所述的车用永磁同步电机转子总成的可选方案，所述转子铁芯上设置有与所述转子轴键连接的定位键，所述定位键的中心线与所述V形永磁体槽的中心线之间的夹角α，α＝360°/(2*槽数)*[(n-1)/n]。

作为所述的车用永磁同步电机转子总成的可选方案，所述永磁体槽上靠近所述转子铁芯圆心的边缘处设置有定位铆点，所述永磁体能够与所述定位铆点相抵接。

作为所述的车用永磁同步电机转子总成的可选方案，所述转子铁芯上还设置有记号槽，两个所述记号槽分别位于位于同一直径上的两个所述去重孔上。

第二方面，提供了一种车用永磁同步电机转子总成的设计方法，用于设计如上所述的车用永磁同步电机转子总成，包括如下步骤：

S1、输入转子总成结构参数；

S2、计算转子允许不平衡量；

S3、确定转子总成初始零点；

S4、动平衡测试得到不平衡量；

S5、计算分解双面不平衡量大小；

S6、计算最小配重销长度及角度位置；

S7、判断是否满足动平衡精度等级；

若满足，则完成平衡工艺，

若不满足，则重新进行步骤S4-S7，直至满足动平衡精度等级。

第三方面，提供了一种电机，包括定子总成和如上所述的车用永磁同步电机转子总成。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的车用永磁同步电机转子总成，包括转子轴、转子铁芯附磁钢组件和隔磁固定端板，转子铁芯附磁钢组件包括永磁体、转子铁芯和配重销，转子铁芯与转子轴键连接，转子铁芯上设置有永磁体槽和去重孔，永磁体插接入永磁体槽中，配重销插接入去重孔中；隔磁固定端板与转子轴键连接，两个隔磁固定端板分别设置在转子铁芯附磁钢组件的两端。所述车用永磁同步电机转子总成，通过在转子铁芯的去重孔中设置配重销，可省去动平衡板，同时可使隔磁固定端板的体重减小，减小隔磁固定端板的厚度，使转子总成的轴向长度缩短，降低产品重量及成本。

本发明提供的车用永磁同步电机转子总成的设计方法，用于设计上述车用永磁同步电机转子总成，采用设计与工艺相结合的增重动平衡设计方法，通过在设计阶段满足静平衡要求，在工艺装配阶段采用分段动平衡方法，减少初始动不平衡量，最后通过增重动平衡矢量分解算法，结合允许动不平衡量进行配重销增重位置及长度的确定，最终满足动平衡精度等级要求。

本发明提供的电机，通过应用上述车用永磁同步电机转子总成，能够减小电机的轴向长度，降低产品重量及成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的车用永磁同步电机转子总成的剖视示意图；

图2为本发明实施例提供的转子铁芯附磁钢组件与配重销的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的转子铁芯与永磁体配合的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的隔磁固定端板的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的车用永磁同步电机转子总成的侧视图；

图6为图5中A-A截面剖视图；

图7为图5中B-B截面剖视图；

图8为图5中C-C截面剖视图；

图9为图5中D-D截面剖视图；

图10为本发明实施例提供的记号槽的示意图；

图11为本发明实施例提供的车用永磁同步电机转子总成的设计流程图；

图12为本发明实施例提供的动平衡矢量计算分解图。

附图标记：

101、转子轴；102、第一隔磁固定端板；103、转子铁芯附磁钢组件；104、第二隔磁固定端板；105、旋变转子总成；106、旋变转子压环；107、锁紧螺母；108、深沟球轴承；

201、永磁体；202、转子铁芯；203、配重销；204、定位键；205、去重孔；206、记号槽；207、定位铆点；208、永磁体槽。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1所示，本实施例提供了一种车用永磁同步电机转子总成，包括转子轴101、第一隔磁固定端板102、转子铁芯附磁钢组件103、第二隔磁固定端板104、旋变转子总成105、旋变转子压环106、锁紧螺母107、深沟球轴承108。

其中，转子轴101与隔磁固定端板102、转子铁芯附磁钢组件103过渡配合，转子轴101与旋变转子总成105、旋变转子压环106及深沟球轴承108过盈配合。转子轴101上有螺纹特征，转子轴101与锁紧螺母107螺纹连接，通过螺纹配合施加轴向力固定转子铁芯附磁钢组件103。

第一隔磁固定端板102和第二隔磁固定端板104可采用隔磁材质置于转子铁芯附磁钢组件103两侧，主要作用为轴向固定转子铁芯内部磁钢，同时进行端部隔磁，减少对旋变的信号传输的干扰。

如图2所示，转子铁芯附磁钢组件103包括永磁体201、转子铁芯202、配重销203和定位铆点207。

转子铁芯202上设置有定位键204，且两个定位键204对称布置在转子铁芯202的装配孔内壁上。

转子轴101包含与定位槽204对应的对称键槽特征，转子轴101与转子铁芯202键配合，此配合形式为小间隙配合，从而实现转子轴101将转动传递给转子铁芯202。

转子铁芯202上设置有去重孔205，多个去重孔205沿转子铁芯202的周向均匀设置，配重销203插入去重孔205中，并满足动平衡等级精度要求。配重销203与去重孔205为过盈配合，其过盈配合量需经过冲击工况及高温环境工况强度校核。

在转子铁芯附磁钢组件103中配重销203的作用下，第一隔磁固定板102和第二隔磁固定板103的厚度为0.5mm，本实施例提供的隔磁固定端板与传统的动平衡板相比，其厚度更小，使得转子总成的轴向空间占用小，重量轻，加工实现简单可以与铁芯冲片共线冲压成型。

本实施例提供的车用永磁同步电机转子总成，通过隔磁固定端板以及配重销203实现动平衡板的功能，可省去动平衡板，同时使得隔磁固定端板的厚度减小，减小永磁同步电子转子总成的轴向长度，降低产品重量和成本。

配重销203与去重孔205过盈配合，其过盈配合量受环境工作温度，振动工况、机械冲击工况决定，保证配重销203不产生松脱。

配重销203可以插入到转子铁芯202的内部，配重销203长度及放置位置可由动平衡测试结果决定。配重销203通过改变长度来满足不同的配重质量要求，其表面可以进行绝缘涂层处理，避免转子铁芯202产生涡流损耗，同时结合自动化设备，可以根据配重量进行自动插入及切断，满足快节拍生产工艺要求。

去重孔在转子铁芯202表面均匀分布。可选地，该去重孔205包括内层去重孔和外层去重孔，多个内层去重孔环设形成第一虚拟圆形，多个外层去重孔环设形成第二虚拟圆形，所述第一虚拟圆形、所述第二虚拟圆形和所述转子铁芯202同心设置。每个去重孔205中均插接有配重销203，实现转子总成的动平衡。

去重孔205为多边形孔，其与配重销203的配合形式为多个方向的线接触，在满足强度要求的条件下，配重销203不容易松脱。

若配重销203表面不采用绝缘镀层，由于只涉及线接触相对于传统的圆形去重孔面接触配合形式，可以有效减少转子铁芯202局部的涡流损耗，对外特性能指标及效率指标影响较小，同时其静强度及疲劳强度满足环境工况要求。

如图3所示，转子铁芯202上设置有永磁体槽208，永磁体201嵌入到转子铁芯202中与永磁体槽208配合，通过注塑或点胶工艺固定。

可选地，在靠近永磁体槽208附件设置定位铆点207，保证永磁体201统一紧靠永磁体槽208一侧，在点胶和注塑时不产生偏移，可以有效降低初始不平衡量。

考虑降低电机齿槽效应，削弱由齿谐波引起的高频转矩脉动及噪声，其转子总成采用分段转极工艺，其斜极形式为V形斜极。

至少两个永磁体槽208形成一组V形永磁体槽，多组V形永磁体槽以转子铁芯202的中心为圆心环设在转子铁芯202上。

V形永磁体槽的V形开口朝向转子铁芯202的外圆周。

一组V形永磁体槽中包括两个沿转子铁芯202径向排列的V字形。

示例性地，永磁体槽208包括第一永磁体槽，两个第一永磁体槽组成一组第一V形永磁体槽，多组第一V形永磁体槽以转子铁芯202的中心为圆心环设在转子铁芯202上。

永磁体槽208还包括第二永磁体槽，第二永磁体槽的长度大于第一永磁体槽的长度，两个第二永磁体槽组成一组第二V形永磁体槽，多组第二V形永磁体槽以转子铁芯202的中心为圆心环设在转子铁芯202上，且第二V形永磁体的中心线与第一V形永磁体槽的中心线重合。

转子斜极角度一般通过调整转子定位键和转子N极中线的夹角来实现，其公式为A＝360°/槽数*(n-1)/n，其中，n为斜极段数。转子斜极能有效削弱相反电势中的齿谐波,降低齿槽转矩和转矩脉动，提升NVH指标性能。

定位键204的中心线与V形永磁体槽的中心线之间的夹角α，α＝360°/(2*槽数)*[(n-1)/n]。即α＝A/2。

示例性地，48槽电机，斜极2段，转子定位键204和转子N极中线的夹角为360/48*(2-1)/4＝1.875°，段与段之间的斜极夹角应该是3.75°。应该注意的是，斜极排列如1221这种重复排列方式，属于两段斜极，而非四段。

考虑到斜极装配，转子铁芯202上定位键204的中心线与N极中心线夹角为A/2，

通过在装配时翻转转子铁芯附磁钢组件103满足斜极角度为A的要求，同时考虑装配工艺性，设置记号槽206特征，利于线上装配防错，满足转子斜极排列为1221形式。

如图4结合图1所示，第一隔磁固定端板102与第二隔磁固定端板104上均设置有定位键204和去重孔205，其中，定位键204和转子铁芯202上的定位键204相对设置，去重孔205与转子铁芯202的去重孔205大小布局完全一致，第一隔磁固定端板102和第二隔磁固定端板104分别置于转子铁芯附磁钢组件103的两侧，可以轴向固定转子铁芯202内部的永磁体201。

如图5-图10所示，转子铁芯附磁钢组件103沿转子轴101的输出端到非输出端截面形状依次为截面A-A、截面B-B、截面C-C和截面D-D，其中，截面B-B为第二段的转子铁芯附磁钢组件103相对第一段的转子铁芯附磁钢组件103翻转180°得到，通过记号槽206进行装配辨识，截面C-C、D-D与截面A-A和B-B对称设置。

本实施例还提供了一种电机，包括上述车用永磁同步电机转子总成，能够减小电机的轴向长度，降低产品重量及成本。

如图11所示，本实施例还提供了一种车用永磁同步电机转子总成的设计方法，采用设计与工艺相结合的增重动平衡设计方法，通过在设计阶段满足静平衡要求，在工艺装配阶段采用分段动平衡方法，减少初始动不平衡量，最后通过增重动平衡矢量分解算法，结合允许动不平衡量进行配重销增重位置及长度的确定，最终满足动平衡精度等级要求。所述设计方法包括如下步骤：

A、满足转子总成轴对称结构设计：转子轴101设计、转子铁芯202、去重孔205均布设计、定位键204对称设计，以满足静平衡结构设计。

B、去重孔205设计满足电磁性能要求：转子轴101、去重孔205、定位键204等设计满足环境工况下的强度设计要求；配重销203与去重孔205过盈量选择满足强度要求。具体地，转子铁芯202的去重孔205设计满足外特性能指标要求及特定环境工况下的疲劳强度要求。其外特性能要求由整车性能需求得到，特定环境工况主要为冲击工况和高温、高速恶劣工况，同时综合考虑配重销203与去重孔205过盈配合的影响及确定过盈量最优值。

C、尺寸及形位公差设计：提高转子轴101键槽对称度、各配合面同轴度精度要求；转子铁芯202的定位键204对称度、同轴度和圆柱度精度要求；转子铁芯202的永磁体槽208尺寸公差精度要求；永磁体201尺寸公差精度要求。提高各阶梯轴配合面同轴度、圆跳动精度要求，提高永磁体201和永磁体槽208的尺寸公差精度要求，减小永磁体槽208与永磁体201配合的间隙值。

D、转子总成装配工艺设计：转子铁芯附磁刚总成103的永磁体201均紧靠转子铁芯202的永磁体槽208外侧，转子总成各部件均匀压装不与转子轴101产生角度偏移。具体地，永磁体201与转子铁芯202注塑粘接，通过在永磁体槽208靠近永磁体201一侧设置定位铆点207来保证永磁体201紧靠永磁体槽208的外侧。

E、动平衡阶段：在动平衡机输入转子总成支撑部位与增重面之间距离、去重半径等参数测试初始不平衡量，计算转子总成理论允许动不平衡量值。如图6所示，根据实际测试结果分解到两个增重平面。

转子总成允许不平衡量为：

m＝M*G*60*1000/(2πRn)

单面的总成允许不平衡量为：

m₀＝m/2

其中，M为转子总成质量kg，G为动平衡精度等级，n为最高转速rpm，R为去重半径mm。

通过矢量分解计算配重销203的长度及角度位置，重新测试动平衡水平，满足允许动不平衡质量要求即可停止。

图12为动平衡矢量计算分解图，如图12所示，

由动平衡机测得的不平衡量乘以去重半径可以得到径重积(g·mm)，通过径重积进行矢量解算得到增重平衡质量和平衡角度。

已知增重平衡质量为m，平衡角度为Y°。

由于图6去重方案分为内外两层去重孔，外层与内层去重孔中心点拟合的圆周半径分别为r1和r2，内外两层去重孔交错分布，基于本例其相邻夹角为7.5°，则根据平衡角度Y°，其相邻最近的两个去重孔205中心点连线与起始点夹角，基于高斯取整函数分别为：

Z°＝([Y°/7.5°]+1)*7.5°

X°＝[Y°/7.5°]*7.5°

由正弦定理可知：

其中m1，m2为配重销203质量，因此可分解得到相邻两个去重孔205的配重质量为：

为保证分解到各去重孔205的质量之和最小，建立目标函数M

M_Min＝m1+m2

则自变量为分解到去重孔205中心点连线与起始点的夹角：

若Y°/7.5°＝整数，则直接分解到一个特定的去重孔205，整数为奇数，M＝mr/r2，整数为偶数，M＝mr/r1。

若Y°/7.5°≠整数，则分解到两个不同的去重孔205，其角度为：

Z°＝([Y°/7.5°]+n)*15°

X°＝([Y°/7.5°]-k)*15°

其中n，k均为大于0的整数，为保证能将不平衡径重积分解到两个不同的去重孔205，其中Z°、X°需要满足Y°＜Z°＜Y°+π/2，Y°-π/2＜X°＜Y°，通过X、Z角度寻优的得到去重孔205配重的最小质量。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所说的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种车用永磁同步电机转子总成，其特征在于，包括：

转子轴(101)；

转子铁芯附磁钢组件(103)，包括永磁体(201)、转子铁芯(202)和配重销(203)，所述转子铁芯(202)与所述转子轴(101)键连接，所述转子铁芯(202)上设置有永磁体槽(208)和去重孔(205)，所述永磁体(201)插接入所述永磁体槽(208)中，所述配重销(203)插接入所述去重孔(205)中；

隔磁固定端板，与所述转子轴(101)键连接，两个所述隔磁固定端板分别设置在所述转子铁芯附磁钢组件(103)的两端。

2.根据权利要求1所述的车用永磁同步电机转子总成，其特征在于，所述车用永磁同步电机转子总成还包括锁紧螺母(107)，所述锁紧螺母(107)与所述转子轴(101)螺纹连接，两个所述隔磁固定端板中的一个与所述转子轴(101)上的轴肩相抵接，另一个与所述锁紧螺母(107)相抵接。

3.根据权利要求1所述的车用永磁同步电机转子总成，其特征在于，所述去重孔(205)包括内层去重孔和外层去重孔，多个所述内层去重孔环设形成第一虚拟圆形，多个所述外层去重孔环设形成第二虚拟圆形，所述第一虚拟圆形、所述第二虚拟圆形和所述转子铁芯(202)同心设置。

4.根据权利要求1所述的车用永磁同步电机转子总成，其特征在于，至少两个所述永磁体槽(208)形成一组V形永磁体槽，多组所述V形永磁体槽以所述转子铁芯(202)的中心为圆心环设在所述转子铁芯(202)上。

5.根据权利要求4所述的车用永磁同步电机转子总成，其特征在于，一组所述V形永磁体槽中包括两个沿所述转子铁芯(202)径向排列的V字形。

6.根据权利要求5所述的车用永磁同步电机转子总成，其特征在于，所述转子铁芯(202)上设置有与所述转子轴(101)键连接的定位键(204)，所述定位键(204)的中心线与所述V形永磁体槽的中心线之间的夹角α，α＝360°/(2*槽数)*[(n-1)/n]。

7.根据权利要求5所述的车用永磁同步电机转子总成，其特征在于，所述永磁体槽(208)上靠近所述转子铁芯(202)圆心的边缘处设置有定位铆点(207)，所述永磁体(201)能够与所述定位铆点(207)相抵接。

8.根据权利要求7所述的车用永磁同步电机转子总成，其特征在于，所述转子铁芯(202)上还设置有记号槽(206)，两个所述记号槽(206)分别位于位于同一直径上的两个所述去重孔(205)上。

9.一种车用永磁同步电机转子总成的设计方法，用于设计如权利要求1-8任一项所述的车用永磁同步电机转子总成，其特征在于，包括如下步骤：

S1、输入转子总成结构参数；

S2、计算转子允许不平衡量；

S3、确定转子总成初始零点；

S4、动平衡测试得到不平衡量；

S5、计算分解双面不平衡量大小；

S6、计算最小配重销长度及角度位置；

S7、判断是否满足动平衡精度等级；

若满足，则完成平衡工艺，

若不满足，则重新进行步骤S4-S7，直至满足动平衡精度等级。

10.一种电机，其特征在于，包括定子总成和如权利要求1-8任一项所述的车用永磁同步电机转子总成。

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