CN1292925A - 绕组基本为矩形并用树脂封装的干式变压器 - Google Patents

Abstract

一种干式配电变压器(10),具有一个基本为矩形的绕制铁磁金属芯(20),和一个用树脂封装的、基本为矩形的绕组(40)。铁芯有一个基本为矩形的铁芯窗(22),绕组基本上平直的部分就处于此窗内。当组装成配电变压器后,绕组的基本平直段的形状与铁芯窗的形状相吻合。这种变压器制造成本低廉,电阻低,铁芯损耗小,而且重量轻,体积小,使用可靠。

Description

绕组基本为矩形并用树脂封装的干式变压器

本发明与变压器有关，更具体地说，是与一种干式配电变压器有关，该变压器具有一个绕制铁磁金属芯和一个基本为矩形的用树脂封装的绕组。

普通干式配电变压器具有一个圆形式环形开放式绕组，和一个绕制型或叠层型硅钢或无定形金属铁芯。变压器的铁芯通常为矩形，构成一个矩形窗以安放绕组。环形形状的绕组往往使得铁芯和绕组之间相对铁芯而言不相匹配，也即矩形窗口的形状与处于其中的绕组截面形状不相匹配。这种铁芯和绕组之间的失配使得变压器的体积和制造成本比严格匹配的变压器增加很多。

配电变压器中的绕制铁芯，不论是硅钢还是无定形金属，其截面都是矩形，与圆形绕组不一致。而叠层型硅钢变压器的铁芯可以是十字形截面，与环形绕组的环形形状比较匹配。由于将无定形金属条铸成或切削成不同的宽度费用很高，要将叠层型无定形金属芯做成十字形截面是不现实的。因此，在制造具有铁磁金属芯的干式配电变压器时(不管是绕制型还是叠层型)，铁芯的截面形状(矩形)与绕组的截面形状(圆形)不相匹配。绕组材料的利用既不经济，变压器的体积也太大。

配电变压器可能要安装在各种场地中，并可能要承受极其恶劣的环境条件，体积微粒(灰尘和脏物等)，湿气，腐蚀性物质等，它们对变压器的使用寿命和性能都会产生有害的影响。开放式绕制绕组对这类严苛环境的影响没有任何防护作用。

本发明提供一种干式配电变压器，它具有一个绕制型铁磁金属芯，和一个基本为矩形的用树脂封装的绕组。铁芯的基本为矩形的截面形状与树脂封装绕组的大致为矩形的形状严格匹配。由于绕组形状和铁芯截面形状相匹配，这种干式铁磁金属配电变压器比之普通圆形或环形绕组变压器，制造成本较低，电阻和损耗较小，所需绕制绕组的材料较少，而且结构更紧凑。

一般来说，干式配电变压器包含一个用树脂封装的具有一段基本平直部分的大致为矩形的绕组，和一个铁磁金属芯，后者由无定形金属或硅钢制成，并在其中形成一个基本为矩形的铁芯窗。绕组和铁芯的尺寸和形状做成使绕组基本平直部分的形状与铁芯窗的形状基本一致。当把绕组和铁芯组装成一个配电变压器时，绕组基本平直部分处于铁芯窗内。采用树脂封装可使绕组不受严苛环境条件的影响，保护绕组的绝缘系统，改善绕组在短路状况下的强度，且由于给绕组外表面提供了一个光滑而均匀的表面，使得空气(强制的或对流的)能流畅地流过，因而绕组的冷却特性也得到了改善。

本发明的干式配电变压器的特点是耐用而结实。绕组和铁芯材料都很节省，从而大大降低了制造成本和变压器尺寸。这些特征是对配电变压器的尺寸、价格和性能要求高的用户所特别希望的。

通过下面结合附图动作的详细说明，可以对本发明有更完整的了解，且其优点也更加明确，各附图中相同的数字表示类似的元件，其中：

图1A是按本发明构造的壳式单相变压器的正视图，图中已将绕组局部剖开；

图1B是沿图1A的B-B线的剖面图；

图2A是按本发明构造的芯型单相变压器的正视图；

图2B是沿图2A的B-B线的剖面图；

图3A是按本发明构造的三相变压器的正视图；

图3B是沿图3A的B-B线的剖面图；

图4是按本发明将一个基本为矩形的低压绕组绕在一个矩形芯轴上的透视图；

图5是按本发明将一个基本为矩形的高压绕组绕在一个矩形芯轴上的透视图；

图6是按本发明用来封装基本为矩形的绕组的环氧树脂密封壳透视图；

图7是将基本为矩形的绕组装进图6所示环氧树脂密封壳的顶视图；

图8是按本发明构造的用来封装绕组的封装系统方框图。

图1A和2A是本发明第一实施例的两种型式：壳式单相配电变压器(图1A)和芯型单相配电变压器(图2A)。壳式单相变压器包含一个基本为矩形的树脂封装绕组40和两个铁磁金属芯20。芯式单相变压器10包含两个基本为矩形的树脂封装绕组40和一个铁磁金属芯20。图3A所示为本发明的第二个实施例。此低中壳式三相配电变压器10包含三个基本为矩形的树脂封装绕组40和四个铁磁金属芯20。虽然下面的详细说明是针对壳式单相变压器的，但业内人士明白，它对图2A，2B，3A和3B所示的芯型单相和壳式三相变压器同样适用。此外，业内人士显而易见：本发明及以下对它的详细描述也适用于其它各种干式配电变压器结构和设计。因此，下面对壳式单相变压器的描述应该当作一个示例而不是仅仅局限于此。

上面已经指出，用来制造铁芯20的铁磁金属可以是硅钢或是无定形金属。这里所用的术语“无定形金属”是指基本上没有长程排序的金属合金，其特征要用X射线衍射强度的峰值来表征，定性上它与液体或无机氧化玻璃所观察到的峰值相似。

无定形金属合金非常适合用来制造铁芯20，因为它们具有以下的综合特性：(a)低磁滞损耗；(b)低涡流损耗；(c)低矫顽力；(d)高磁导率；(e)高饱和性；(f)磁导率随温度的变化非常小。X射线衍射测定，这类合金至少有50％是无定形的。较好的无定形金属合金包括那些结构式为M_60-90T_0-15X_10-25的合金，其中M至少为元素铁、钴、镍、中的一种，T至少为过渡金属元素中的一种，X至少为非金属元素磷、硼、碳中的一种。X中碳、磷和(或)硼的80％以下可以用铝、锑、铍、锗、铟、硅和锡来代替。这类无定形金属合金用作磁装置的铁芯时，其性能比普通常用的多晶金属合金要好得多。我们希望这类无定形合金带至少有80％是无定形态，最好是有95％以上的无定形态。

制造铁芯20的无定形合金时最好将熔融液以10℃／秒左右的速率冷却。有多种大家都熟悉的方法可用来制造快速淬火的连续无定形金属带。用作无定形金属变压器的磁芯时，铁芯20的带状材料通常是卷带的形式。将熔融材料直接浇铸到一个激冷表面上或某种淬火媒质中，就能很方便地制成这种带状材料。这种工艺过程可以大大降低制造成本，因为不需要经过中间拉丝或卷带的步骤。

适于制造铁芯20的无定形金属合金具有较高的抗张强度，一般在200，000至600，000磅／英寸²之间，根据组份不同而异，而用于退火状态下的多晶合金一般是在10，000至80，000磅／英寸²的范围内。对于离心力很高的应用场合，具有高抗张强度是很重要的，因为强度较高的合金能延长变压器的使用寿命。

此外，用来制造铁芯20的无定形金属合金具有高的电阻率，在25℃时约为160至180微欧-厘米，依组份不同而异。以往常用的材料的电阻率约为45至160微欧-厘米。上述无定形金属合金具有高电阻率这一点对用于交流状态下减小涡流损耗是很有益的，同时这也是使铁芯损耗降低的一个因素。

采用无定形金属合金制造铁芯20的另一个优点是其矫顽力比以往的金属含量基本相同的材料的矫顽力要低。因此铁芯20中可以采用更多的比较便宜的铁，而不需要使用比较较大的较昂贵的镍。

制造铁芯20时是在一个芯轴(未画出)上绕上连续几圈，使得带状材料处在拉伸状态而被绷紧。圈数根据所要求的每个铁芯20的尺寸来选定。带状铁芯材料的厚度希望在1至2密耳的范围内。由于所用的无定形金属合金的抗张强度较高，所以采用1-2密耳厚的带状材料也不致于断裂。显然，带状材料比较薄将使有效电阻增加，因为单位径向长度的边界很多，而涡流必须流过这些边界。

让我们来继续看图1A和1B，一个壳式单相配电变压器10包括一个铁芯一绕组组件12，它是由两个铁磁金属芯20和一个基本为矩形的封装绕组40组成的。变压器10还包括一个底座30和顶座34，其上分别有底部和顶部绕组支座32和36，铁芯-绕组组件12就安装在这两个座之间。每个铁芯20最好由几个铁磁金属带或层28绕成，其横截面大致为矩形(见图1B)。每个铁芯20有两条长边24和两条短边26，它们共同构成一个大致为矩形的铁芯窗22，本发明的大致为矩形的绕组40的基本平直的中间段52就处在这个窗内。我们定义窗的边长比，即铁芯20长短边24，26之比为窗高(即长边24)与窗宽(即短边26)之比，其值最好在3．5比1至4．5比1之间。这种优选的铁芯结构使得制造铁芯20所需的绕制铁磁金属带或层数目最少，从而降低了绕组40中的温度梯度。沿长边24加有几层环氧树脂(未画出)以支持铁芯20的高度。开始一层环氧树脂最好是较柔顺的并渗入构成铁芯20的各铁磁金属带或层28之间。以后各层环氧树脂一般要比较坚固些，以便铁芯20的长边24具有需要的强度。铁芯20最好采用化学式为Fe₈₀B₁₁Si₉的铁磁金属带，这种带可从AlliedSignal公司买到，其商品牌号为METGLAS^合金SA-1。

本发明一般要求绕组40为矩形。但其它的几何形状也可以考虑，只要它包含一个基本上平直的中间段52，且此段的尺寸和形状能放进铁芯20的大致为矩形的铁芯窗22内。例如，绕组40不处在铁芯窗22内的末端段54可以是圆形，而通过并处于铁芯窗内的中段52大致为矩形，也即一个中间部分大致平直的椭圆形。

从图1B能较清楚地看到，本发明的大致为矩形的绕组40由一些绕组绕线42组成，绕线与绝缘材料44和一些有选择地安放的冷却导管隔垫46一起绕制(见图4和5)。在制作大致为矩形的绕组40时，将绕组元件(例如绕线42和绝缘材料44)绕在一个矩形绕线芯轴60(见图4和5)上，交替地把绕组绕线42和绝缘材料44绕成一些同心层。在一种优选实施例中，绝缘材料44构成绕好的绕组40的最内和最外层，并在相邻的绕组绕线42间提供电绝缘。当把矩形绕线芯轴60取出后，沿绕组40的纵向就形成一个基本为矩形的绕组孔56。

因为绕组的线材一般是以卷轴的形式供应的，在绕组40缠绕后材料能保持一个弯曲半径，使得绕组因线材的惯性而成弯曲状或近似的椭圆形。不过这也带来一些缺陷，即让绕组(尤其是其要求较平直的中间段52)的制造尺寸增加，而且使得绕组大到很难装到铁芯20上。因此需要保证在绕组从绕线芯轴60取下后其绕线42(以及整个绕组40)基本保持矩形。本发明提供的一个解决办法是在绕组绕线42之间用浸有树脂的牛皮纸作为绝缘材料44。树脂与绕组绕线42相粘合，干了之后就使绕线42具有一定的刚度，以减少线材的弯曲倾向。另一种办法是让绕线62的形状包含金属角62(见图4和5)，以在绕组绕线42中形成角，并将绕组绕在芯轴60上。第三种解决方法是在把线材绕到芯轴上时用木块和尼龙槌将绕组敲成大致为矩形的形状。还有一种方法是将绕组40留在芯轴上，并在绕组40全部绕完进行封装之前压紧处在压板之间的绕组长腿。最后一种方法除了使绕组40基本成为矩形外，还能进一步压紧绕组40的长腿，从而最大限度地减少应尽可能避免在绕线42和绝缘材料44之间产生叠合的区段(即基本为平直的中间段52)内的叠合现象。

为进一步减小制成绕组40的尺寸，在绕组基本平直的中间段52将不安放冷却导管垫块46(因而也不安放冷却导管58)。这比要求沿周边有连续冷却导管的圆形或环状绕组有着明显的优点。因此，只在基本为矩形的绕组40的末段54配上沿周边不连续的冷却导管，其位置由选定安装的垫块46来确定。

绝缘材料44散布在绕组绕线42相邻各层之间，以提供电绝缘并构成绕组40的最内层和最外层(不考虑下面要谈到的树脂封装)。在一种优选实施例中，绝缘材料44是一张或几张芳族纸，如杜邦公司的Nomex^牌纸。业内人士很清楚，可以采用其它各种绝缘材料而不会背离本发明的精神和目的。

建议将绝缘材料的最内层和最外层向绕组40的纵向端面以外延伸12mm左右。此外，处于冷却导管垫块46每一边的绝缘材料44也伸出绕组端部约12mm。用很稠的环氧树脂(如Maglonia公司生产的零件号为3126，A／B的树脂)将这些延伸的绝缘材料44灌封起来。这些用环氧树脂粘合的延伸绝缘材料层44在绕组40的封装过程中(下面要详述)用来包住尚未固化的环氧树脂。

干式配电变压器的冷却可以通过空气对流或强迫空气冷却来实现。因此在各绕组绕线之间需要有冷却导管58以让空气在其间流通。可将冷却导管的隔垫46随着绕组40的绕制加进绕组绕线42之间，并在绕组40被封装后将隔垫取走(下面会更详细谈到)。因为希望对绕组40的绕线尺寸加以控制以使它能装入铁芯20的铁芯窗22内。最好只把冷却导管隔垫46放置在组装变压器时不处于铁芯窗22内的那些绕组40的区段(即绕组40纵向的最远端，如图1B所清楚显示的那样)。因此绕组40处在铁芯22内的那部分尺寸就受到控制，使得绕组40的尺寸可以较小(或者较窄)，这也使得配电变压器的尺寸较小。由于本发明中的绕组基本为矩形，我们可以采用沿矩形绕组周边不连续的冷却导管58。考虑到冷却导管58会使绕组的尺寸增大这一事实(这对绕组基本平直的中段52是特别不希望的)，显然需要有选择地安放冷却导管58并沿周边提供不连续的冷却导管58。由于本发明的绕组40基本为矩形而使四条边的轮廓清晰(而圆形或环形绕组做不到)，因而可以在绕组40的末段54有选择地安放冷却导管58。

对于通常用在配电变压器次级绕线的低压绕组，其绕线42是由一张或几张铝箔或铜箔构成的(见图4)。而对于通常用在配电变压器初级绕线的高压绕组，其绕线42是由横截面为矩形或圆形的铜线构成的(见图5)。无论是低压还是高压绕组，都是把绕组40绕在一个矩形芯轴60上，最好与一个绕线模子62一块用，该模子具有金属角64，其形状是预先确定好的。本发明的基本为矩形的绕组40可以是只有一个低压绕组或一个高压绕组，也可能包含低压和高压两个绕组。下面将会详细谈到，绕好的绕组40完全由环氧树脂层50所包住并密封。

图4和图5为按本发明构成的分别用于低压和高压的基本为矩形的绕组40。图4所示的低压绕组是将一个绕组绕线42(例如一张铜或铝箔)绕在一个基本为矩形的绕线芯轴60上而制成的。为使绕线42各相邻层之间电绝缘，在层间插入绝缘材料44。绝缘材料44组成绕好的绕组40的最内和最外层。通过当绕制绕组40时在绕线42之间加上冷却导管隔垫46来给绕组40提供冷却导管58。绕组40封装好之后将隔垫46取出，由取走的隔垫46所形成的空腔就是冷却导管58。图5所示的高压绕组40的制造方法与图4的低压绕组40相似，所不同的是这时绕组绕线42是一条矩形或圆形铜线，它按螺旋形或盘形绕在矩形芯轴60上。

如图6所示，本发明的绕组40是用一个容器70封装在环氧树脂层50中。容器70由一个容器外壳72(分为第一和第二两半72a和72b)，一个容器芯子74，和一个容器底座76组成。容器芯子74也可以是由第一和第二两半74a和74b组成，或者可以由矩形绕线芯轴60组成，本发明的基本为矩形的绕组40就绕制在这个芯轴上。装在第一和第二两半72a和72b上的支架78可用来在封装过程中将这两半联在一起。

现在我们参照图6，7，8来详细讨论封装过程。绕好的绕组40安放在容器70内，容器最好高出绕组40顶端100mm左右，以允许环氧树脂固化后产生收缩。然后把容器70和绕组40装入一个与真空源82和环氧树脂源84相连的真空室80内。通过真空源对室80排气至150乇左右。将一种低粘度环氧树脂，例如Magnolia公司的牌号为111-047，A／B的双酚类A型环氧树脂，注入容器70直至将它全部注满。当环氧树脂注到容器70的顶端时，将真空室80进一步抽空约20乇。如果在容器80内的压力产生上述改变的过程中环氧树脂下降，则再向容器70内注入一些环氧树脂。一旦容器70内充满了环氧树脂且环氧树脂面在容器70内视定后，环氧树脂就开始固化而产生一个环氧树脂层50，完全收绕组40包围并密封起来。等环氧树脂固化后，将绕组40从容器70中取出，同时将冷却导管隔垫46从绕组40中取出。

现在可以将由树脂封装的基本为矩形的绕组40与绕制的铁磁金属芯20装在一起，此金属芯的横截面基本为矩形，且有一个基本上为矩形的铁芯窗22。绕组40的基本上平直的部分52安放在铁芯窗22内且与窗22的尺寸和形状基本吻合。

因此，本发明提供一种干式配电变压器，它包括一个截面基本为矩形的绕制铁磁金属铁芯，和一个基本为矩形的由树脂封装的绕组。由于经过封装绕组的外表面变得光滑、均匀、空气(无论是强迫的或对流的)可以流畅地通过，因此，可以防止绕组受严苛环境条件的侵害，绕组的绝缘系统受到保护，绕组在短路状态下的强度得以提高，同时绕组的冷却特性也得到了改善。另外，由于绕组的形状与铁芯截面的形状相匹配，本发明所提供的干式铁磁金属配电变压器比起以往的具有普通圆形或环形绕组的变压器来说，制造成本较低，电阻较小因而损耗也小(因为所需的绕线材料少)，而且体积也小。因此，本发明的干式配电变压器耐用而且结实，所需的变压器材料更为经济，所以制造成本低而且整个变压器的体积变小。

应该说明，上面对本发明所作的比较详细的描述并不意味着一定要严格遵守这些细节，相反，业内人士可对它进行各种修改而仍然不超出后面的权利要求书所确定的本发明的范围。

Claims (36)

1．一种干式配电变压器，包括：

一个用树脂封装的基本为矩形的绕组，它具有一段基本平直的部分；和

一个铁磁金属铁芯，其中有一个基本为矩形的铁芯窗；

上述绕组和铁芯的尺寸和形状做成使绕组基本平直段的形状大致与铁芯窗的形状吻合，当把绕组和铁芯组装成配电变压器时，绕组基本平直段处于铁芯窗内。

2．如权利要求1所述的干式配电变压器，其中绕组还包括：

一些基本为矩形的同心层，由一个导电绕组绕线和一层绝缘材料组成，后者提供绕组各相邻同心层之间的电绝缘；和

一个将绕组封装的树脂层。

3．如权利要求2所述的干式配电变压器，其中绕组还包含一些夹在相邻各同心层之间的冷却导管，它们沿基本为矩形的绕组周边不连续地分布，且处在绕组不包含基本平直段的那部分。

4．如权利要求2所述的干式配电变压器，其中绕组绕线从铝和铜一组材料中选出。

5．如权利要求2所述的干式配电变压器，其中树脂层是低粘性的环氧树脂。

6．如权利要求5所述的干式配电变压器，其中低粘度树脂为双酚A环氧树脂。

7．如权利要求1所述的干式配电变压器，其中铁芯是一个绕制铁芯。

8．如权利要求1所述的干式配电变压器，其中铁芯用一种无定形金属合金制成，其结构组成为M_60-90T_0-15X_10-25，其中M至少为铁，钴，镍几种元素中的一种，T为过渡金属元素中的至少一种，X为非金属元素磷，硼和碳中的至少一种，且其中80％以下的碳，磷和硼含量可用铝，锑，铍，锗，铟，硅和锡来代替。

9．如权利要求1所述的干式配电变压器，其中铁芯窗的两边长之比约大于3．5比1。

10．如权利要求1所述的干式配电变压器，其中铁芯窗的边长比约在3．5∶1至4．5∶1之间。

11．如权利要求1所述的干式配电变压器，其中绕组是一个低压绕组。

12．如权利要求1所述的干式配电变压器，其中绕组是一个高压绕组。

13．如权利要求1所述的干式配电变压器，其中绕组包括一个低压绕组和一个高压绕组。

14．一种干式配电变压器，包括：

一个用树脂封装的基本为矩形的绕组，它包含一般基本平直的部分，制作时交替绕一层导电材料并在矩形绕线框架上涂一层绝缘材料，以形成一些基本为矩形的绝缘材料和导电材料的同心层，尔后构成将绕组封装的树脂封装层；

一个基本为矩形的铁磁金属铁芯，其中有一个基本为矩形的铁芯窗；

上述绕组和铁芯的尺寸和形状做成使绕组基本平直的部分与铁芯窗的形状基本吻合，当把绕组和铁芯组装成配电变压器时，绕组基本平直部分处在铁芯窗内。

15．如权利要求14所述的干式配电变压器，其中导电材料可从铝和铜一组材料中选择。

16．如权利要求14所述的干式配电变压器，其中绕组还包含一些处于各同心层之间的冷却导管，它们沿基本为矩形的绕组的周边不连续地分布，且处在绕组不包含基本平直段的那部分。

17．如权利要求14所述的干式配电变压器，其中树脂层是一种低粘度环氧树脂。

18．如权利要求17所述的干式配电变压器，其中低粘度树脂是双酚A环氧树脂。

19．如权利要求14所述的干式配电变压器，其中铁芯是一个绕制铁芯。

20．如权利要求14所述的干式配电变压器，其中铁芯是由铁磁金属合金制成的，其结构组成为M_60-90T_0-15X_10-25，其中M至少为元素铁，钴，镍中的一种，T为过渡金属元素中的至少一种，X至少为非金属元素磷，硼和碳中的一种，且其中80％以下的碳，磷和硼含量可由铝，锑，铍，锗，钢，硅和锡代替。

21．如权利要求14所述干式配电变压器，其中铁芯窗的边长比约大于3．5比1。

22．如权利要求14所述的干式配电变压器，其中铁芯窗的边长比约为3．5∶1至4．5∶1之间。

23．如权利要求14所述的干式配电变压器，其中绕组是一个低压绕组。

24．如权利要求14所述的干式配电变压器，其中绕组是一个高压绕组。

25．如权利要求14所述的干式配电变压器，其中绕组包括一个低压绕组和一个高压绕组。

26．一个用树脂封装的基本为矩形的绕组，它包含一个基本平直的部分，该绕组包含一些基本为矩形的同心层，各层由一个导电绕组绕线和一个绝缘材料组成，后者为绕组相邻同心层提供电绝缘；和

一个将绕组封装的树脂层。

27．如权利要求26所述的基本为矩形的树脂封装绕组，其中绕组还包含一些夹在各同心层之间的冷却导管，这些导管是围绕此基本为矩形的绕组的周边不连续地分布着，且处于绕组不含基本平直段的那部分。

28．如权利要求26所述的基本为矩形的树脂封装绕组中，绕组绕线可从铝和铜一组材料中选用。

29．如权利要求26所述的基本为矩形的树脂封装绕组，其中树脂层为低粘度环氧树脂。

30．如权利要求29所述的基本为矩形的树脂封装绕组，其中低粘度树脂为双酚A环氧树脂。

31．如权利要求26所述的基本为矩形的树脂封装绕组，其中绕组是一个低压绕组。

32．如权利要求26所述的基本为矩形的树脂封装绕组，其中绕组是一个高压绕组。

33．如权利要求26所述的基本为矩形的树脂封装绕组，其中绕组包含一个低压绕组和一个高压绕组。

权利要求34-36空缺。

37．如权利要求36所述的干式变压器制造方法，其中步骤(h)中的预定压力约为150乇。

38．如权利要求8所述的干式配电变压器，其中铁芯是用结构式为Fe₈₀B₁₁Si₉的无定形金属合金制造的。

39．如权利要求20所述的干式配电变压器，其中铁芯是用结构式为Fe₈₀B₁₁Si₉的无定形金属合金制造的。

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