具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

具体实施方式一：如图1至图12所示，本具体实施方式采用以下技术方案：本实施方式包括台架1、电磁变质量装置2、电磁发电机构3、多个驰振机构4和多个上弹性件5，所述台架1为匚字形架体；电磁变质量装置2包括封盖2-1、上筒体2-2、纵向连接柱2-3和移动条2-4，纵向连接柱2-3竖直设置在台架1的上方，台架1的两侧分别设置有多个驰振机构4，纵向连接柱2-3的顶端同轴设置有上筒体2-2，上筒体2-2顶端可拆卸连接有封盖2-1，上筒体2-2内设置有若干个电磁线圈7，若干个电磁线圈7之间形成有内腔，内腔内设置有若干个铁磁性小球20，上筒体2-2分别通过至少一个上弹性件5与台架1的两端相连接，纵向连接柱2-3的下端设置有移动条2-4，电磁发电机构3设置在台架1上，电磁发电机构3的输入端与移动条2-4相连接。

本实施方式中纵向连接柱2-3为永磁铁制成的圆柱体。

本发明中基于变质量的宽频VIV能量收集装置中的宽频VIV是指通过纵向连接柱2-3的固有频率设定为随漩涡泄放频率改变的动态值，直接地增大了锁定区间，增益发电效果。

具体实施方式二：本实施方式为具体实施一的进一步限定，所述台架1包括底座1-1和两个T形立柱1-2，底座1-1水平设置，两个T形立柱1-2竖直并列设置在底座1-1的两端处；纵向连接柱2-3处于两个T形立柱1-2之间，每个T形立柱1-2底端与底座1-1固定连接，每个T形立柱1-2顶部的两端各对应设置有一个驰振机构4。

具体实施方式三：本实施方式为具体实施一或二的进一步限定，上筒体2-2配合设置有两个连接件6，上筒体2-2设置在两个连接件6之间，每个连接件6包括连接块6-1和第一光柱6-2，连接块6-1的一端固定连接在上筒体2-2的外壁上，连接块6-1的另一端加工有第一通孔19，第一光柱6-2的一端与两个T形立柱1-2中的一个所述T形立柱1-2固定连接，第一光柱6-2的另一端穿过第一通孔19与两个T形立柱1-2中的另一个所述T形立柱1-2固定连接，上筒体2-2通过连接块6-1沿第一光柱6-2的长度方向往复运动。

具体实施方式四：本实施方式为具体实施一、二或三的进一步限定，纵向连接柱2-3与移动条2-4之间设置有连接头8，连接头8的上端与纵向连接柱2-3的下端固定连接，连接头8的下端与移动条2-4固定连接，连接头8上加工有第二通孔9，第二通孔9内穿设有第二光柱10，第二光柱10的两端分别与两个T形立柱1-2固定连接。

具体实施方式五：本实施方式为具体实施一、二、三或四的进一步限定，连接头8和每个T形立柱1-2之间通过至少一个下弹性件11相连接。

具体实施方式六：本实施方式为具体实施一、二、三、四或五的进一步限定，电磁发电机构3包括电磁发动机3-1、输入轴3-2和齿轮3-3，电磁发动机3-1与输入轴3-2相连接，输入轴3-2上套装有齿轮3-3，所述移动条2-4朝向齿轮3-3的一侧面设置有齿条12，齿条12与齿轮3-3相啮合配合。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施一、二、三、四、五或六的进一步限定，驰振机构4包括配重杆4-1、方柱4-2和两个压电片4-3，所述配重杆4-1的长度方向与T形立柱1-2的高度方向同向，方柱4-2的一端与配重杆4-1的中部固定连接，方柱4-2的另一端与T形立柱1-2固定连接，方柱4-2的两侧外壁上分别设置有一个压电片4-3。

本实施方式中配重杆4-1和两个压电片4-3相配合形成压电悬臂梁21的结构形式，方柱4-2即为质量块。

本实施方式中连接头8为T形连接头，连接头8的顶部加工有配合纵向连接柱2-3的插孔13，起到固定纵向连接柱2-3的效果，连接头8顶部的两端分别设置有配合下弹性件11的第一限位凸起14，下弹性件11的一端套装在第一限位凸起14上，T形立柱上设置有配合下弹性件11的第二限位凸起15，下弹性件11的另一端套装在第二限位凸起15上，连接头8的底部加工有所述第二通孔9。

进一步的，第二通孔9用于为第二光柱10提供插接位置，从而实现连接头8沿第二光柱10长度方向往复移动的过程。第二光柱10起到限位导向作用。

进一步的，下弹性件11为下弹簧，连接头8的左右两侧各连接有一个下弹簧，当发生涡激振动横向位移时可引起下弹簧的拉伸和压缩，同时带动底部齿条12进行横向位移。底部圆孔处连接限位导轨，顶部圆孔凹槽连接纵向连接柱2-3的底部，主要起固定作用。

本实施方式中上弹性件5为上弹簧，上筒体2-2分别朝向T形立柱1-2的侧壁上设置有配合上弹性件5的第三限位凸起16，T形立柱1-2上设置有配合第三限位凸起16的第四限位凸起17，第三限位凸起16和第四限位凸起17一一对应设置，每个第三限位凸起16和其对应的第四限位凸起17之间设置有一个上弹簧，上弹簧的两端分别套装在第三限位凸起16和其对应的第四限位凸起17之间。

进一步的，第一光柱6-2起到限位导向作用，第一光柱6-2和连接块6-1相配合，规范上筒体2-2的移动路径。当发生涡激振动时，上筒体2-2沿第一光柱6-2的长度方向横向往复移动，往复移动的同时使上弹簧处于拉伸或压缩状态，上筒体2-2内设置有若干个电磁线圈7，若干个电磁线圈7沿上筒体2-2的高度方向排列，若干个电磁线圈7在上筒体2-2的带动下在T形立柱1-2之间往复移动，从而实现收集涡激振动能量的目的。

进一步的，两个第一光柱6-2和一个第二光柱10相配合实现三杆横向限位效果，从而能够确保电磁变质量装置2在进行涡激振动引发的持续稳定的横向位移，进而确保涡激振动能量采集的有效性和持续可靠性。

进一步的，上弹性件5和下弹性件6均为弹簧，上弹性件5为上弹簧，上弹性件5的使用个数为两个，下弹性件6为下弹簧，下弹性件6的使用个数为两个，每个上弹性件5的下方对应设置有一个下弹性件6，每个上弹性件5与其对应的下弹性件6处于同一竖直面上，当电磁变质量装置2发生涡激振动产生横向位移时，每个上弹性件5与其对应的下弹性件6同步发生被挤压或拉升，上弹性件5带动上筒体2-2在两个T形立柱1-2之间进行横向移动，下弹性件6带动连接头8进行横向移动，多位置同步运动有利于采集涡激振动横向方向上的能量，配合两个第一光柱6-2和一个第二光柱10进行使用，实现了横向方向上电磁变质量装置2的稳定性和灵活性兼备的运动效果。

本实施方式中台架1中的底座1-1为长方形板体，底座1-1起到固定电磁变质量装置2、电磁发电机构3和多个驰振机构4的作用，底座1-1的上端面上加工有配合电磁发电机构3的定位槽18，电磁发电机构3安装在定位槽18中，定位槽18的长度方向与底座1-1的宽度方向同向，齿轮3-3的转动路径方向为定位槽18的宽度方向，定位槽18的两侧槽壁位置为齿轮3-3的转动的两个极限位置。

本实施方式中驰振机构4中的压电片4-3会随远处来流速度不同，压电片4-3产生的电流强度也随之不同，从而会引起电磁变质量装置2的线圈内电流发生变化，从而起到调控电磁变质量装置2质量的目的。

本实施方式中上筒体2-2内设置的电磁线圈7的最大数为五个，五个电磁线圈7均为电磁铁线圈，封盖2-1为电磁铁制成的盖体。即电磁变质量装置2主要包括永磁铁圆柱体、五个电磁线圈7以及若干个铁磁性小球20，其中五个电磁线圈7的线圈由少到多沿上筒体2-2的长度方向依次排列，电磁线圈7的外径与上筒体2-2的内径相配合设置，多个电磁线圈7之间形成有内腔，内腔内放置有若干铁磁性小球20，导电后，随电流强度变化，电磁线圈7的磁性随之发生变化，从而改变电磁变质量装置2的质量，以达到共振的目的，从而达到最大化进行涡激振动的能量回收的效果。

本实施方式中电磁发电机构3的齿轮3-3配合齿条12进行作业，齿轮3-3连接电磁发动机3-1，并随齿条12的移动进行转动，当上筒体2-2和纵向连接柱2-3发生涡激振动时，二者同步运动并带动齿条12移动，利用电磁发电机3-1进行回收涡激振动能源，并带动电磁发电机3-1进行发电工作。

本发明中基于变质量的宽频VIV能量收集装置的工作原理：

当无穷远处来流时，随着远处来流的速度不同，压电片4-3产生的电流也随之进行改变。压电片4-3产生的电流通过第一光柱6-2和第二光柱10将电流传至电磁变质量装置2内，电磁变质量装2内的铁磁性小球20吸附在电磁线圈7的内表面，倘若远处来流速度增加，则压电片4-3产生的电流强度也随之增加，串联而成的电磁线圈7磁性也随之增加，此时，将电磁线圈7对铁磁性小球20的吸引力将大于纵向连接柱2-3的吸引力，从而起到调控纵向连接柱2-3质量的作用，同时调控质量还能够使涡激振动达到共振区间，从而最大程度得收集利用涡激振动产生的能量。纵向连接柱2-3在远处来流时，纵向连接柱2-3产生涡激振动，通过上筒体2-2和连接头8的带动下在第一光柱6-2和第二光柱10上发生局部横向位移，同时纵向连接柱2-3带动两个上弹性件5和两个下弹性件11处于挤压或拉伸状态，当纵向连接柱2-3发生涡激振动时，通过连接头8带动其下端的移动条2-4进行横向位移，使与其相啮合的齿轮3-3发生转动，进而带动电磁发动机3-1进行发电，从而实现电磁发电机构3回收涡激振动能量的目的。

具体实施方式八：如图1至图20所示，本实施方式中的效率验证方法为首先建立驰振能量振动方程模型，然后基于有限差分法对常微分方程组进行求解，基于分析数据，根据基于变质量的宽频VIV能量收集装置的基础数据进行计算分析，得出理论指标值，将理论指标值与基于变质量的宽频VIV能量收集装置的实际指标值相比较，从而实现对基于变质量的宽频VIV能量收集装置的能量收集性能的验证过程。

本实施方式中理论指标值为能量总值指标和/或频率指标，这两种类型的指标分别计算得出，能够用于联合评价基于变质量的宽频VIV能量收集装置的能量收集性能，得出敏感性验证过程，也可单独评价基于变质量的宽频VIV能量收集装置的能量收集性能，即效率验证方法为首先建立驰振能量振动方程模型，然后基于有限差分法对常微分方程进行求解，基于分析数据，根据基于变质量的宽频VIV能量收集装置的基础数据进行计算分析，得出理论能量总值和原装置固有频率、变质量后的固有频率、漩涡泄放频率，将理论能量总值与基于变质量的宽频VIV能量收集装置的实际能量总值相比较，从而实现对基于变质量的宽频VIV能量收集装置的能量收集性能的验证过程。最后还可对VIV振动方程求解进行敏感性验证。

通过能量总值指标和频率指标相结合实现双重验证过程，更有利于验证数据的准确获取。

本实施方式中验证方法主要包括以下步骤：

1)建立驰振能量方程—能量电路方程—纵向连接柱振动方程模型；

2)基于有限差分法对常微分方程组进行求解；

3)基于分析数据，分析数据为分析能量总值指标和/或频率指标，对实例进行计算分析；

4)对VIV振动数值求解部分进行敏感性验证。

具体实施方式九：本实施方式为具体实施一、二、三、四、五、六、七或八的进一步限定，首先建立驰振能量振动方程模型，然后基于有限差分法对常微分方程组进行求解，基于分析数据，根据基于变质量的宽频VIV能量收集装置的基础数据进行计算分析，得出理论能量总值，将理论能量总值与基于变质量的宽频VIV能量收集装置的实际能量总值相比较，从而实现对基于变质量的宽频VIV能量收集装置的能量收集性能的验证过程。

上述过程中理论指标值为理论能量总值，理论指标值对应的实际指标值为实际能量总值，建立驰振能量振动方程模型的具体过程为：

根据驰振机构4的结构，建立控制方程，相关公式为公式一、公式二和公式三：

在公式一、二和三中，A₁,A₂为经验参数，α为攻角，S为方柱截面面积，U为流速，F为宽频VIV能量收集装置所受升力，ρ为来流密度，V(t)为时变电压，R为内阻，C^S为电容，θ为机电耦合常数，w(t)为横向位移，K为弹性刚度，M为方柱质量，为C系统阻尼；在定常来流作用下，驰振机构4的压电片4-3在外力作用下产生时变交流电压V(t)并传入能量电路22；

所述能量电路22包括三部分：

第一部分为D1-D4组成的桥式整流电路，将交流电转化为脉冲直流电，该桥式整流电路的输出电流计算方式为：

上式中，V_交(t),I_交(t)为驰振机构产生的交变电压与交变电流，I_直为输出的直流电流，R为直流电路的外接负载，此时得到的直流电I_直输入基于变质量的宽频VIV能量收集装置，驱使基于变质量的宽频VIV能量收集装置工作；

根据安培环路定理，在稳恒磁场中，磁感应强度B沿任何闭合路径的线积分，等于这闭合路径所包围的各个电流的代数和乘以磁导率，公式为：

uNI＝∮Bdl＝B·2πr (5)

上式中，N为电磁线圈7的线圈匝数，u为磁导率，I为闭合路径中的恒常电流，B为磁感应强度，r为纵向连接柱2-3外圆半径，即设定在电磁变质量装置2外存在一闭合路径，长度近似等于纵向连接柱2-3外圆大小；

根据麦克斯韦吸引力定律，求得基于变质量的宽频VIV能量收集装置的吸引力，公式为：

上式中，F_Maxwell为麦克斯韦吸引力，A为纵向连接柱2-3外圆面积；根据得到的麦克斯韦吸引力，计算得出吸附质量；公式为：

F_Maxwell/g＝M_iron (7)

上式中，M_iron为电磁线圈7的质量，也为吸附质量；g为重力加速度，将纵向连接柱2-3的原质量与吸附质量相减，将得到当前流速下的质量：

M_d＝M_s-M_iron (8)

上式中，M_s为纵向连接柱2-3的原质量，M_d为变化后的纵向连接柱2-3质量；M_d作为纵向连接柱2-3的结构特性，将影响其振动响应结果，其公式如下：

在公式(9)至(11)中，m为纵向连接柱2-3单位长度上振动系统的质量，m＝m_s+m_f，m_s、m_f分别表示：纵向连接柱2-3单位长度上结构质量、外部流体附加质量，外部流体附加质量可表示为：m_f＝C_MρD²π/4，ρ表示流体密度，C_M表示附加质量系数，对于纵向连接柱2-3，C_M＝1.0；T表示时间；F_L(t)为单位长度上升力，可表示为F_L(t)＝ρU²DC_L0q(t)/4，C_L0表示横向升力系数，q(T)表示与升力系数有关的无量纲尾流变量；阻尼r包括结构阻尼r_s和流体阻尼r_f，其中r_f＝γΩ_fρD²，其中Ω_f为根据斯脱哈尔关系式计算得到的局部斯脱哈尔漩涡泄放频率(Ω_f＝2πStU/D，St为斯脱哈尔数)，γ

为黏滞力系数，与流体阻尼系数的关系式为：

在公式(10)中，ε为非线性项中的小参数，A为结构对流体的耦合动力参数；

为了验证能量的收集效率，通过下式计算净能量收入的净能量收入：

基于有限差分法对常微分方程组进行求解，基于分析数据，根据基于变质量的宽频VIV能量收集装置的基础数据进行计算分析，得出理论能量总值，将理论能量总值与基于变质量的宽频VIV能量收集装置的实际能量总值相比较，从而实现对基于变质量的宽频VIV能量收集装置的能量收集性能的验证过程为：

通过公式(1)至(3)，完成时间、电压的一阶导数和时间的二阶导数采用一阶后向差分、二阶中心差分对方程进行离散迭代求解；

通过公式(9)至(11)，完成采用时间的中心差分对方程进行离散求解；计算时间跨度t_total划分为N段后的时间步长为Δt＝t_total/N，即公式(1)、(2)、(9)、(10)中的时间导数差分格式如下：

将上式(13)-(14)代入至公式(1)、(2)、(3)、(9)、(10)、(11)中，得到驰振发电方程和VIV振动方程，即

对于驰振发电方程(15)至(17)，设定初始激励w₁,w₂为一微小振幅，电压V₁＝0；对于VIV振动方程(17)-(19)，初始条件为Y₁＝0,dy/dt＝0,dq/dt＝0，q为一微小振幅，由此得到：

y₁＝y_-1,q₁＝q_-1 (20)

将上式(20)代入(18)、(19)，得到

上式中，Y₀,q₀作为初始值已经给出，根据公式(13)-(19)迭代求解出余下时间步的Y,q值。

本实施方式中将理论能量总值与宽频结构计算的实际能量值比较，并调整不同的步长和初始值对VIV振动部分进行敏感性检验，从而验证VIV振动响应求解，从而验证其稳定性。

本实施方式中当求解出余下时间步的Y,q值后，基于求出的Y,q，对实例进行计算分析，具体分析内容如下表一：

表一基本参数表

通过表一和说明书附图14可知在流体速度处于1-5m/s时，净功率呈增长状态。确定流体速度处于1-5m/s时，净功率呈增长状态后，再对VIV振动数值求解部分进行敏感性验证，结合图16-20可知，通过敏感性验证分析，尾流振子和圆柱体位移的数值解在一定幅度内波动，说明本实施方式中基于变质量的宽频VIV能量收集装置实现的效率验证方法的稳定性。

具体实施方式十：本实施方式为具体实施一、二、三、四、五、六、七、八或九的进一步限定，首先建立驰振能量振动方程模型，然后基于有限差分法对常微分方程组进行求解，基于分析数据，根据基于变质量的宽频VIV能量收集装置的基础数据进行计算分析，得出理论指标值，将理论指标值与基于变质量的宽频VIV能量收集装置的实际指标值相比较，从而实现对基于变质量的宽频VIV能量收集装置的能量收集性能的验证过程。

当选取的理论指标值为漩涡泄放频率时，理论指标值对应的实际指标值为实际固有频率，建立驰振能量振动方程模型的具体过程为：

根据驰振机构4的结构，建立控制方程，相关公式为公式一、公式二和公式三：

在公式一、二和三中，A₁,A₂为经验参数，α为攻角，S为方柱截面面积，U为流速，F为所受升力，ρ为来流密度，V(t)为时变电压，R为内阻，C^S为电容，θ为机电耦合常数，w(t)为横向位移，K为弹性刚度，M为方柱质量，为C系统阻尼；在定常来流作用下，驰振机构4的压电片4-3在外力作用下产生时变交流电压V(t)并传入能量电路22；

所述能量电路22包括三部分：

第一部分为D1-D4组成的桥式整流电路，将交流电转化为脉冲直流电，该桥式整流电路的输出电流计算方式为：

上式中，V_交(t),I_交(t)为驰振机构产生的交变电压与交变电流，I_直为输出的直流电流，R为直流电路的外接负载，此时得到的直流电I_直输入基于变质量的宽频VIV能量收集装置，驱使基于变质量的宽频VIV能量收集装置工作；

根据安培环路定理，在稳恒磁场中，磁感应强度B沿任何闭合路径的线积分，等于这闭合路径所包围的各个电流的代数和乘以磁导率，公式为：

uNI＝∮Bdl＝B·2πr (5)

上式中，N为电磁线圈7的线圈匝数，u为磁导率，I为闭合路径中的恒常电流，B为磁感应强度，r为纵向连接柱2-3外圆半径，即设定在电磁变质量装置2外存在一闭合路径，长度近似等于纵向连接柱2-3外圆大小；

根据麦克斯韦吸引力定律，求得基于变质量的宽频VIV能量收集装置的吸引力，公式为：

上式中，F_Maxwell为麦克斯韦吸引力，A为纵向连接柱2-3外圆面积；根据得到的麦克斯韦吸引力，计算得出吸附质量；公式为：

F_Maxwell/g＝M_iron (7)

上式中，M_iron为电磁线圈7的质量，也为吸附质量；g为重力加速度，将纵向连接柱2-3的原质量与吸附质量相减，将得到当前流速下的质量：

M_d＝M_s-M_iron (8)

上式中，M_s为纵向连接柱2-3的原质量，M_d为变化后的纵向连接柱2-3质量；

频率计算公式如下：

固有频率计算方法：

其中，ω_na表示基于变质量的宽频VIV能量收集装置在质量变化后的固有频率，ω_nb表示基于变质量的宽频VIV能量收集装置在质量未变化时的固有频率，h表示纵向连接柱2-3刚度，m表示纵向连接柱2-3质量，从而计算得出基于变质量的宽频VIV能量收集装置的固有频率，利用上述公式，同理计算得出现有非宽频结构的固有频率；

漩涡泄放频率ω_f计算方法：

ω_f＝2πStU/D (24)

其中，St表示斯特劳哈尔数，U表示外界流速，D表示纵向连接柱2-3直径；

当驰振机构4产生的的电量通过若干个电磁线圈7和若干个铁磁性小球20作用于纵向连接柱2-3后，得到了实际固有频率，即得到基于变质量的宽频VIV能量收集装置的固有频率；

通过非宽频结构、基于变质量的宽频VIV能量收集装置的固有频率及漩涡泄放频率对比，得到基于变质量的宽频VIV能量收集装置的固有频率对漩涡泄放频率的跟随性规律。

具体实施方式十一：本实施方式为具体实施方式八、九、十的进一步限定，结合图14所示，本实施方式中的基于变质量的宽频VIV能量收集装置与现有非宽频能够收集装置相比，在流动速度为1-5m/s时，在初期二者的功率相差不大；随着流速上升后，基于变质量的宽频VIV能量收集装置相比非宽频结构有一个明显的增幅，从而从定量角度上表明，基于变质量的宽频VIV能量收集装置在能量收集性能方面的明显优势。

具体实施方式十二：本实施方式为具体实施方式八、九、十或十一的进一步限定，结合图15可知，基于变质量的宽频VIV能量收集装置的固有频率、现有非宽频能够收集装置的固有频率和漩涡泄放频率相比，以漩涡泄放频率为标准值，在流动速度为1-5m/s时，基于变质量的宽频VIV能量收集装置的固有频率和现有非宽频能够收集装置的固有频率的差值也较小，漩涡泄放频率ω_f只与外界流速和圆柱体直径相关，所以随流速增加线性变化。随着流速上升后，变质量机构开始发挥作用，宽频结构固有频率ω_na增大，更接近于漩涡泄放频率ω_f能量对比图中，ω_nb则保持不变，从而表明基于变质量的宽频VIV能量收集装置的固有频率对漩涡泄放频率具有持久的跟随性规律，本实施方式中的基于变质量的宽频VIV能量收集装置在持久使用后，明显优于现有非宽频能够收集装置。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。