JP2006174553A - アキシャルギャップ型回転電機のロータ構造 - Google Patents

アキシャルギャップ型回転電機のロータ構造 Download PDF

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Abstract

【課題】 ロータベース部材に永久磁石を設定するに際し、永久磁石の破損を確実に防止することができるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を提供すること。
【解決手段】 永久磁石12,12を配置したロータ2と、ステータコア14とステータコイル16を有するステータ3,3と、を備え、前記ロータ2と前記ステータ3,3が軸方向に配設されたアキシャルギャップ型回転電機において、前記ロータ2を、ロータ軸1に固定されるロータベース部材11と、一対の磁石保持部材24,24と、複数の永久磁石12,12と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、前記磁石保持部材24に、軸方向に永久磁石12を保持する段付き部24aを有する貫通穴24bを設けた。
【選択図】 図3

Description

本発明は、ステータとロータが軸方向に対向配置されるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造の技術分野に属する。
永久磁石をロータ内部に埋め込んだ埋込磁石同期モータ(IPMSM:Interior Permanent Magnet Synchronus Motor)や永久磁石をロータ表面に張り付けた表面磁石同期モータ(SPMSM:Surface Permanent Magnet Synchronus Motor)は、損失が少なく、効率が良く、出力が大きい(マグネットトルクのほかにリラクタンストルクも利用できる)等の理由により、電気自動車用モータやハイブリッド車用モータ等の用途にその応用範囲を拡大している。
このような永久磁石同期モータであって、ステータとロータが軸方向に対向配置されるアキシャルギャップ型モータは、薄型化が可能であり、レイアウトに制限がある用途に使用されている(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−187635号公報
しかしながら、従来のアキシャルギャップ型モータにあっては、ロータを、ロータ軸に固定されるロータベース部材と複数の永久磁石とにより構成しているため、組付け時、ロータベース部材の磁石配置溝に永久磁石を挿入する際、磁石挿入方向とは反対側から永久磁石を支えることができず、支えの無い永久磁石は磁力にしたがってロータベース部材に強力に吸引される。この吸引時、少なくとも永久磁石の厚みの距離だけ移動してロータベース部材に衝突する際の衝撃により、永久磁石が破損してしまう可能がある、という問題があった。
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、ロータベース部材に永久磁石を設定するに際し、永久磁石の破損を確実に防止することができるアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明では、永久磁石を配置したロータと、ステータコアとステータコイルを有するステータと、を備え、前記ロータと前記ステータが軸方向に配設されたアキシャルギャップ型回転電機において、
前記ロータを、ロータ軸に固定されるロータベース部材と、一対の磁石保持部材と、複数の永久磁石と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、前記磁石保持部材に、軸方向に永久磁石を保持する段付き部を有する貫通穴を設けた。
よって、本発明のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造にあっては、ロータ組付け時、まず、磁石保持部材の貫通穴を用いて、磁石挿入方向とは反対側から永久磁石を支持しつつ、徐々に永久磁石を挿入して段付き部に符合させ、磁石保持部材と永久磁石とを一体化する。そして、永久磁石を一体に有する磁石保持部材をロータベース部材に固定することで行われる。したがって、ロータベース部材に永久磁石を設定するに際し、磁石保持部材を用いない場合のように、支えの無い永久磁石が磁力にしたがってロータベース部材に強力に吸引されることが無く、永久磁石の破損を確実に防止することができる。
以下、本発明のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を実施するための最良の形態を、図面に示す実施例1に基づいて説明する。
まず、構成を説明する。
図1は実施例1のロータ構造が適用された1ロータ・2ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機を示す全体断面図、図2は実施例1のロータ構造が適用されたアキシャルギャップ型回転電機のステータを示す正面図である。
実施例1のアキシャルギャップ型回転電機は、ロータ軸1と、ロータ2と、一対のステータ3,3と、回転電機ケース4と、を備えていて、前記ロータ2と前記一対のステータ3,3とは軸方向に対向して配設されている。
前記ロータ軸1は、回転電機ケース4(フロント側サイドケース4a)との間に設けられた第1軸受け5と、回転電機ケース4(リヤ側サイドケース4b)との間に設けられた第2軸受け6と、によって回転自在に支持されている。このロータ軸1には、軸心油路7と、該軸心油路7に連通してフロント側のステータ3を冷却する第1径方向油路8と、前記軸心油路7に連通してリヤ側のステータ3と第2軸受け6を冷却する第2径方向油路9と、前記軸心油路7に連通して前記第1軸受け5を冷却する第3径方向油路10と、が形成されている。
前記ロータ2は、前記ロータ軸1に対し固定され、その固定位置は前記一対のステータ3,3により挟まれた位置とされる。このロータ2は、ロータ軸1に固定されたロータベース部材11と、前記一対のステータ3,3との対向面位置に周方向に複数埋め込まれた永久磁石12,12と、前記ロータベース部材11と永久磁石12,12との間に介装される磁石保持部材24,24と、を有して構成されている。そして、一対のステータ3,3から与えられる回転磁束に対し、永久磁石12,12に反力を発生させ、ロータ軸1を中心に回転するように、前記複数の永久磁石12,12は、隣接する表面磁極(N極,S極)が、互いに相違するよう配置されている。ここで、ロータ2とステータ3,3との間には、エアギャップと呼ばれる軸方向隙間が存在し、互いに接触することはない。
前記ステータ3,3は、前記回転電機ケース4のフロント側サイドケース4aとリヤ側サイドケース4bとにそれぞれ固定され、その固定位置は前記ロータ2の両側位置とされる。このステータ3は、前記両サイドケース4a,4bにボルト固定されるステータケース13と、積層鋼鈑によるステータコア14と、絶縁体15を介してステータコア14に巻かれたステータコイル16と、を有して構成されている。前記ステータコイル16付きステータコア14は、図2に示すように、周方向に等間隔で12個配列される。前記ステータ3には、上記構成要素以外に、前記ステータコア14の基部に設けられるコアベース17と、前記ステータコイル16への給電構造であるバスバー積層体18と、該バスバー積層体18に接続された送電端子19と、前記ステータケース13に形成された冷媒ギャラリー20と、前記ステータコイル16付きステータコア14と前記バスバー積層体18の空間を埋める樹脂モールド部21と、を有する。なお、前記送電端子19は、モータモードの場合、バッテリからの直流を、インバータを有する図外の強電ユニットを介して三相交流に変換し、この三相交流をバスバー積層体18を介してステータコイル16に給電する。また、ジェネレータモードの場合、ステータコイル16にて発電した三相交流を、インバータを有する図外の強電ユニットに給電し、強電ユニットにて直流に変換し、バッテリへ充電する。
前記回転電機ケース4は、フロント側サイドケース4aと、リヤ側サイドケース4bと、両サイドケース4a,4bにボルト結合された外周ケース4cにより構成されている。前記フロント側サイドケース4aと前記リヤ側サイドケース4bには、図1に示すように、前記冷媒ギャラリー20に対し冷媒(例えば、冷却オイル)を供給する冷媒供給ポート22と、前記冷媒ギャラリー20においてステータ3から熱を奪った冷媒を排出する冷媒排出ポート23と、が形成されている。
図3は実施例1のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す組付け前の分解断面図、図4は実施例1のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において磁石保持部材に組付けられる永久磁石を示す正面図、図5は実施例1のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す組付け完了後の断面図である。以下、実施例1のロータ構造を説明する。
前記ロータ2を、ロータ軸1に固定されるロータベース部材11と、一対の磁石保持部材24,24と、複数の永久磁石12,12と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、前記磁石保持部材24に、軸方向に永久磁石12を保持する段付き部24aを有する貫通穴24bを設けている。
前記ロータベース部材11には、前記磁石保持部材24に設けた貫通穴24bと同等形状で、前記段付き部24aと同等の軸方向厚みを有する突出部11a,11aを設けている。また、前記磁石保持部材24は、非磁性体にて構成している。前記ロータベース部材11は、形状の異なる複数種類の薄板の電磁鋼板を積層して構成している。
次に、作用を説明する。
例えば、図6に示すように、ロータベース部材の形状を磁石保持部材と一体化した形状とした場合、永久磁石の厚みtが厚くなれば成る程、永久磁石の組付け時に、磁力によりロータベース部材へ強力に吸引されることとなり、永久磁石の厚み、つまり、ロータベース部材の磁石保持溝の深さの距離だけ移動して、ロータベース部材に衝突する際の衝撃で永久磁石が破損する可能性があった。
そこで、例えば、図7に示すように、ロータベース部材を単純円板として構成した場合には、磁石保持部材に設けられた段付き部により、永久磁石とロータベース部材との間に空気層が生じてしまい、この空気層が磁束の流れ(図7の矢印)に対する磁気抵抗となってしまう。
これに対し、実施例1のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造では、ロータ2を、ロータ軸1に固定されるロータベース部材11と、一対の磁石保持部材24,24と、複数の永久磁石12,12と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、磁石保持部材24に、軸方向に永久磁石12を保持する段付き部24aを有する貫通穴24bを設けた。
このため、ロータ2の組付け時、まず、磁石保持部材24の貫通穴24bを用いて、磁石挿入方向とは反対側から永久磁石12を支持しつつ、徐々に永久磁石12を挿入して段付き部24aに符合させ、磁石保持部材24と永久磁石12とを一体化する(図4参照)。
そして、永久磁石12を一体に有する磁石保持部材24をロータベース部材11に固定することで行われる(図5参照)。
したがって、ロータベース部材11に永久磁石12を設定するに際し、磁石保持部材24を用いない図6の例のように、支えの無い永久磁石12が磁力にしたがってロータベース部材11に強力に吸引されることが無く、厚みのある永久磁石12においても、永久磁石12の破損を確実に防止することができる。
また、実施例1のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造では、ロータベース部材11に、磁石保持部材24に設けた貫通穴24bと同等形状で、段付き部24aと同等の軸方向厚みを有する突出部11a,11aを設けた。
このため、ロータベース部材11に永久磁石12を一体に有する磁石保持部材24を組み付けた場合、ロータベース部材11の突出部11aと、磁石保持部材24の貫通穴24bとが嵌合し、突出部11aの厚みと段付き部24aの厚みとがほぼ同等であることから、図5に示すように、永久磁石12の背面は、ロータベース部材11の突出部11aに接触し、永久磁石12とロータベース部材11との間に、図7に示すような空気層が形成されない。よって、図7に示す空気層が形成される場合に比べ、効率良く磁束を通すことが可能となり、両面の永久磁石12,12間の磁気抵抗が低くなり、出力を向上することができる。
さらに、実施例1のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造では、段付き部24aを有した磁石保持部材24を非磁性体で構成するので、永久磁石12の全周において、アキシャルギャップ側の磁極からロータベース側磁極への磁気抵抗が高くなり、洩れ磁束を低減できるので、出力を向上することができる。
加えて、実施例1のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造では、ロータベース部材11は、形状の異なる複数種類の薄板の電磁鋼板を積層して構成した。このため、永久磁石12,12間を磁束が流れた際の渦電流損を低減でき、且つ、ロータベース部材11を電磁鋼板の打ち抜き材のみで構成できるので、製造コストを低減できる。
次に、効果を説明する。
実施例1のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
(1) 永久磁石12,12を配置したロータ2と、ステータコア14とステータコイル16を有するステータ3,3と、を備え、前記ロータ2と前記ステータ3,3が軸方向に配設されたアキシャルギャップ型回転電機において、前記ロータ2を、ロータ軸1に固定されるロータベース部材11と、一対の磁石保持部材24,24と、複数の永久磁石12,12と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、前記磁石保持部材24に、軸方向に永久磁石12を保持する段付き部24aを有する貫通穴24bを設けたため、ロータベース部材11に永久磁石12,12を設定するに際し、永久磁石12,12の破損を確実に防止することができる。
(2) 前記ロータベース部材11には、前記磁石保持部材24に設けた貫通穴24bと同等形状で、前記段付き部24aと同等の軸方向厚みを有する突出部11a,11aを設けたため、永久磁石12とロータベース部材11との間に空気層が形成されずに効率良く磁束を通すことが可能となり、両面の永久磁石12,12間の磁気抵抗が低く抑えられ、出力を向上することができる。
(3) 前記磁石保持部材24を、非磁性体にて構成したため、洩れ磁束の低減により出力を向上することができる。
(4) 前記ロータベース部材11を、形状の異なる複数種類の薄板の電磁鋼板を積層して構成したため、永久磁石12,12間を磁束が流れた際の渦電流損を低減することができると共に、製造コストを低減することができる。
(5) 前記ロータ2は、永久磁石12,12を軸方向の両面に配置したため、永久磁石12,12が破損する可能性が高くなる1ロータ・2ステータによるアキシャルギャップ型回転電機において、永久磁石12,12の組み付け時の破損を確実に防止することができる。すなわち、磁石保持部材を用いずに永久磁石を軸方向の両面に配置する場合、仮に貫通穴を設けたロータベース部材としても、片方の永久磁石の組付け後は貫通穴が塞がれてしまい、もう一方の永久磁石の組付けに際し、永久磁石12,12の破損可能性が高くなる。
以上、本発明のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を実施例1に基づき説明してきたが、具体的な構成については、この実施例1に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
例えば、実施例1では、ロータベース部材に、磁石保持部材に設けた貫通穴と同等形状で、段付き部と同等の軸方向厚みを有する突出部を設けたが、突出部をロータベース部材側でなく、永久磁石側に設けても良い。また、実施例1では、磁石保持部材を、非磁性体にて構成したが、磁石挿入方向と反対側から永久磁石を支持しつつ挿入できるため、磁石保持部材を磁性体にて構成しても良い。また、実施例1では、ロータベース部材を、形状の異なる複数種類の薄板の電磁鋼板を積層して構成したが、ロータベース部材を一体素材により構成しても良い。要するに、ロータを、ロータ軸に固定されるロータベース部材と、一対の磁石保持部材と、複数の永久磁石と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、磁石保持部材に軸方向に永久磁石を保持する段付き部を有する貫通穴を設けたものであれば、様々な変形例も本発明に含まれる。
実施例1では、永久磁石を軸方向の両面に配置したロータへの適用例を示したが、永久磁石を軸方向の片面のみに配置したロータへも適用できる。つまり、永久磁石を軸方向の片面のみに配置する場合であっても、ロータベース部材に永久磁石を挿入する構造が、磁石配置穴ではなく、磁石配置溝である場合には、本願発明の問題を有する。
実施例1では、アキシャルギャップ型回転電機として、ロータとステータとの間に軸方向のエアギャップを有する例を示したが、ロータとステータとの間には、例えば、油膜によるアキシャルギャップが存在するだけで、実質的にエアギャップが存在しないようなアキシャルギャップ型回転電機に対しても適用することができる。
実施例1では、アキシャルギャップ型回転電機と述べているが、それはアキシャルギャップ型モータとして適用しても良いし、また、アキシャルギャップ型ジェネレータとして適用しても良い。また、実施例1では、1ロータ・2ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機への適用例を示したが、1ロータ・1ステータ型や2ロータ・1ステータ型や2ロータ・2ステータ型のアキシャルギャップ型回転電機等、ステータとロータの数が実施例とは異なるアキシャルギャップ型回転電機にも適用することができる。
実施例1のロータ構造が適用されたアキシャルギャップ型回転電機を示す全体断面図である。 実施例1のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造が適用されたステータを示す図である。 実施例1のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す組付け前の分解断面図である。 実施例1のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において磁石保持部材に組付けられる永久磁石を示す正面図である。 実施例1のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す組付け完了後の断面図である。 従来例1のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す組付け状態の断面図である。 従来例2のアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造を示す組付け完了後の断面図である。
符号の説明
1 ロータ軸
2 ロータ
3 ステータ
4 回転電機ケース
5 第1軸受け
6 第2軸受け
7 軸心油路
8 第1径方向油路
9 第2径方向油路
10 第3径方向油路
11 ロータベース部材
11a 突出部
12 永久磁石
13 ステータケース
14 ステータコア
15 絶縁体
16 ステータコイル
17 コアベース
18 バスバー積層体
19 送電端子
24 磁石保持部材
24a 段付き部
24b 貫通穴

Claims (5)

  1. 永久磁石を配置したロータと、ステータコアとステータコイルを有するステータと、を備え、前記ロータと前記ステータが軸方向に配設されたアキシャルギャップ型回転電機において、
    前記ロータを、ロータ軸に固定されるロータベース部材と、一対の磁石保持部材と、複数の永久磁石と、によりそれぞれ別体で構成し、且つ、前記磁石保持部材に、軸方向に永久磁石を保持する段付き部を有する貫通穴を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
  2. 請求項1に記載されたアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
    前記ロータベース部材に、前記磁石保持部材に設けた貫通穴と同等形状で、前記段付き部と同等の軸方向厚みを有する突出部を設けたことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
  3. 請求項1または2に記載されたアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
    前記磁石保持部材を、非磁性体にて構成したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
  4. 請求項1乃至3の何れか1項に記載されたアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
    前記ロータベース部材を、形状の異なる複数種類の薄板の電磁鋼板を積層して構成したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
  5. 請求項1乃至4の何れか1項に記載されたアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造において、
    前記ロータは、永久磁石を軸方向の両面に配置したことを特徴とするアキシャルギャップ型回転電機のロータ構造。
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