国鉄EF65形電気機関車
空転時の対策としては、各車軸に取り付けられた車軸発電機の発生電圧により回転数を随時計測、回転異常時(空転時)には進段を中止し自動ノッチ戻しを行う機構が採用されている。
制御用電源の電動発電機(MG)はEF64形0番台と同じくMH81B-DM44Bを搭載する。二相交流式で交流60 Hz、5 kVAの容量を備え、交流24 V、交流50 V、交流100 Vのほか、整流器を介して直流100 Vを供給する。このMGは101系電車用のMH81-DM44から送風機を外すなどの設計変更を行ったものである。
空気ブレーキなどで使用される圧縮空気を供給する電動空気圧縮機は、MH92B-C3000 を1基搭載する。
電動機などの冷却に使用する電動送風機はMH91A-FK34Aを2基搭載する。内訳は、第1 - 4電動機用が1基、第5・第6電動機、ブレーキ抵抗器用が1基である。
これらにより運転操作、高速運転時の安定性能は飛躍的に向上し、現場でも優秀な機関車として受け入れられたが、試作による性能評価を行っていないため、前述のとおり主制御器のCS29への切り替えまでは当時最新技術であった自動進段機構にトラブルが相次いだといわれている。
本形式は用途により多数の仕様区分があり、個別の仕様については次節に記述する。
昭和39年度第3次債務で501・502号機が製造された。中央線電化・増発用を名目としている。なお、501号機は500番台では唯一、1966年から1967年にかけて0番台と同じ一般塗装だった時期があり、その塗装で寝台特急を牽引していた。
加えて、昭和39年度第5次債務で503 - 512号機が製造された。東海道本線増発用を名目としている。ただし、実際には寝台特急牽引用として投入されたため、全機が東京機関区に配置された。
同時期製造の0番台2次車と同様、抵抗バーニア制御器はCS25Aである。
昭和43年度第5次債務で105 - 120号機が製造された。東海道・山陽本線貨物・荷物列車増発用、山陽本線瀬野 - 八本松間補機増強や東北・信越方面の貨物列車増発用である。全車が稲沢第二機関区に配置された。
4次車との大きな違いは見られない。
ただし、これはEF66形落成までのつなぎ的な役割であった。1968年(昭和43年)10月にEF66形量産車が登場、東海道-東北-北海道ルートの特急貨物列車に充当された後は新鶴見機関区に配置され、新設された東北-北海道間を結ぶ特急貨物列車の運用に充てられた。またEF15形が牽引する急行貨物列車にも充当され上越方面でも運用された。積雪地区での使用に際し、一部の車両につらら切り・ホイッスルカバー・スノープラウといった簡単な耐雪耐寒装備が施された。ただし貫通扉が無いため冬季の多雪地域での重連運用の折り返し時に一旦車外に出なくてはならないことや、凍結防止用ヒーターなどの耐寒耐雪装備が不十分でトラブルが多発したこと、ジャンパ連結器栓受がスカートに左右非対称の配置であるため、デルタ線の通過などで車両の向きが変わる運用に充当しづらいなどといった難点が存在した。
1969年(昭和44年)には東北本線の東北・北海道輸送を担う旅客・貨物列車の上野方 - 黒磯間の短い直流区間を牽引する客貨両用で汎用性の高い機関車として、1000番台PF形が落成し新鶴見機関区に新製配置、その後宇都宮運転所に集中配置され東北本線・上越線での500番台F形運用(貨物列車)を置き換えた。次いで旅客運用にも投入され、1970年(昭和45年)7月1日より運転開始した寝台特急「あけぼの」(7月1日から9月30日までは臨時列車として運転)の上野 - 黒磯間を1000番台PF形(宇都宮運転所)が牽引することとなった。