EF81形電気機関車（EF81がたでんききかんしゃ）は、日本国有鉄道（国鉄）が1968年（昭和43年）に開発した、交流直流両用電気機関車である。
開発時から1979年（昭和54年）までに156両が、1989年（平成元年）から1992年（平成3年）までに8両が、日立製作所、三菱電機・三菱重工業でそれぞれ製作され、総製作数は164両に達した。後述の問題はあったものの汎用性の高さもあって1990年代まで全機が使用されたが、客車列車の廃止や後継形式の導入により廃車が進み、2025年（令和7年）までに全車両が運用を離脱した。
概要 本形式は、異なる方式で電化が進捗した日本海縦貫線において、50 Hzおよび60 Hzの交流電化区間と直流電化区間を直通して走行できる電気機関車として開発され、1969年（昭和44年）の北陸本線糸魚川駅 - 直江津駅間直流電化開業に合わせて営業投入された。その後、当初想定の日本海縦貫線や常磐線をはじめ、一部仕様を変更した車両が関門トンネル区間の特殊用途にも使用された。
1987年（昭和62年）4月の国鉄分割民営化に際し、156両全機が東日本旅客鉄道（JR東日本）・西日本旅客鉄道（JR西日本）・九州旅客鉄道（JR九州）の各旅客会社と日本貨物鉄道（JR貨物）に継承された。更に、1989年（平成元年）からJR貨物では増大する輸送量に対応するため、本形式を8両再製作し、基本番台の一部を改造した区分番台の追加導入を行なった。
開発の経緯 日本海縦貫線の電化は1957年（昭和32年）10月1日の北陸本線田村駅 - 近江塩津駅 - 敦賀駅間に始まったが、この電化は1956年（昭和31年）5月に国鉄交流電化調査委員会から出された「交流電化方式は直流電化方式に比し輸送量の多少にかかわらず、投下資本においても、年間経費に置いても、つねに有利である」との答申から従来の直流1,500 Vではなく交流20 kV・60 Hzが採用され、以東も同様の方式で順次電化が進められた。しかし、新潟地区はすでに上越線が直流1,500 Vで電化されていたこと、東京 - 新潟間の輸送密度が比較的高いことから1962年（昭和37年）の信越本線長岡駅 - 新潟駅間は直流電化で開業した。
このため1964年（昭和39年）ごろから日本海縦貫線の電化方式は再検討されることとなり全面直流化・交流化なども検討されたものの、まず1964年（昭和39年）2月6日の国鉄第309回常務会で北陸本線は「電源事情および信越線の直流電化方式との関連から」糸魚川駅 - 梶屋敷駅間に交直デッドセクションを設け以東を直流1,500 V電化とすることが決定、続いて1965年（昭和40年）には奥羽本線が同年2月18日の国鉄第316回理事会で既存直流電化区間も含め交流20 kV・50 Hzでの電化が決定、羽越本線は同年3月3日の国鉄第342回常務会で羽越本線村上駅 - 間島駅間に交直デッドセクションを設け以南を直流1,500 Vで電化、以北を交流20 kV・50 Hzでの電化とすることが決定し、最終的に日本海縦貫線は3種の方式で電化されることとなった。
このため北陸本線糸魚川駅 - 直江津駅間直流電化開業に備えた機関車は、今後の湖西線開業や奥羽・羽越本線電化に伴う運用を考慮することとなり、国鉄では1967年（昭和42年）から具体的な計画に着手し、以下の5種が検討された。 +案12345軸配置Bo-2-BoBo-Bo-BoB-B-BBo-Bo-Bo制御方式チョッパ制御抵抗制御チョッパ制御抵抗制御備考EF80形ベースEF65形ベース 検討では北陸本線用としてはチョッパ制御を用いることで交流専用機のED75形とほぼ同等の粘着走行性能となる案1が好適、としたものの、チョッパ制御は当時より1969年（昭和44年）10月を見込んでいた北陸本線の電化開業までには検討期間が不足であったチョッパ制御自体は実用化の見通しこそついており同年には交流区間向けの試作機ED93形（→ED77形）・ED94形（→ED78形）も登場していた。。
一方で抵抗制御の案2は直流機並みの性能となってしまい、接続点に限った折り返し運用とするか重量級列車について重連運用とする必要が生じることから、不経済であった。また案3については上記のチョッパ制御を用いることの検討期間不足に加え、最急勾配が10 ‰程度の日本海縦貫線では過大な性能となり、高価となった。
残る案としては1962年（昭和37年）から常磐線向け既存交直流電気機関車形式であるEF80形をベースとする案4と直流区間の主力機であるEF65形をベースとする案5の2案が検討された。しかし前者については北陸トンネルを含む通し運用を考慮すると粘着性能を改善する必要があったうえ電動機の容量が限界に近く、加えてEF80形が持つ機械関係・補機方式の検討・改善EF80形は1台車1電動機方式、動力伝達にクイル式を用いるなど機構面で特殊性があった。、耐寒耐雪装備の付加が必要であり、それにも重量計画の面から制約があった。
このため、本形式の開発はEF65形を基本とした案5で進められることとなり、1968年に量産先行機が日立製作所で完成した。
構造 ここでは設計当初の仕様について記述し、後年の変更箇所については当該節にて記述する。
車両外観 車体は国鉄新型電気機関車の標準形態で、交直機器を収容するため機器室を拡大し、全長は18 m級、幅2,900 mmの大型車体となった。本形式1両での列車牽引を前提に設計され、重連運転のための総括制御装置は装備せず、また、正面の貫通扉も装備しない。正面窓上部左右に2灯の前照灯、正面下部左右に2灯の標識灯を配し、正面窓直下に飾り帯を配する意匠はEF65形やEF80形などと同一の様式である正面窓間の柱は先述2形式などと比べると太くなっている。。外部塗色は交直流車両標準の赤13号（ローズピンク）である。
従来の交流機では屋根上にあった断路器や遮断器、主ヒューズなどの特別高圧機器を室内に収容し、パンタグラフ以外の機器を屋外に露出させない構造としている。これは塩害と氷雪から電気機器を保護するための対策 である。機器配置の関係から、主抵抗器は屋上に設けた大型のカバー内に納められた。パンタグラフは下枠交差式のPS22形で、小型軽量化と耐雪性能を向上している。動作は空気上昇式としつつも、従来の自重下降式からばね下降式へ機構を一新している背景として、下降状態から空気抵抗などによって不意に上昇する問題があり、ばね上昇空気下降式と同様にカギを設置する対策もとられたが、これでもうまくかからずに事故に繋がる事例があった。『鉄道ファン』1969年2月号（通巻92号）「新車インタビュー EF81形交直流電気機関車」pp.10-11。
他の耐寒装備として、空気ブレーキ関係機器や砂撒き装置などにはヒーターを取りつけ、正面の排障器（スカート）下部にはスノープラウ（雪かき器）を装備する。これら追加装備への対応として車体装備各部の軽量化を図り、運転整備重量は100.8 t、軸重16.8 tに収めている。これはEF65形に対して約5 %の重量増加である。
主要機器 制御方式は国鉄直流電気機関車で一般的な抵抗制御方式である。
制御器は、CS36抵抗バーニア制御器とCS37界磁制御器を搭載する。交流電化区間では交流20 kVを主変圧器 (TM17) と主整流器、主平滑リアクトルにより直流1,500 Vへ変換し、主抵抗器 (MR102) を経由して速度を制御する。交流電気機関車で一般的な変圧器タップ制御は行わず、直流機のEF65形に交流対応機器を付加した構造とした。
抵抗制御は、同時代の交流機関車で一般的な連続電圧制御に比べて動輪が空転したときの再粘着性能に劣る。本形式は高感度の空転検出機構を装備し、空転発生時にはノッチ進段を止め、空転した軸に台車単位で空気ブレーキにより短時間制動させる機構を採用 して引張力の低下を抑え、再粘着性能を付加しているが、車体容積の関係上電機子分路制御などの高度な対策は施されず、悪天候時などに空転に常に悩まされることとなる。これは自動でノッチを低速段に戻すEF65形より簡易的でしかない手法である。
主整流器 (RS36) は、シリコン整流器とEF80 63で試用されたサイリスタインバータで構成されている。サイリスタインバータ部は直流区間での暖房装置電源である交直流電気機関車 EF81、p.40。。
主電動機は国鉄新性能電気機関車で標準的に採用されていた直流直巻整流子電動機のMT52（端子電圧750 V時1時間定格定格出力425 kW）を6基吊り掛け式で搭載する。直流区間での定格出力は2,550 kW、交流区間ではやや劣る同2,370 kWとした。定格出力はEF65形と同等で、10 ‰の勾配上で1,200 tの列車を牽引することが可能とされているが1,000 t以上の実例はない。台車は揺れ枕を廃止し、構造を簡素化した新形式のDT138形（両端）・DT139形（中間）を採用する他形式では、同時期に製作された西武鉄道のE851形電気機関車や、1980年（昭和55年）から製作されたEF64形電気機関車（1000番台）に同系台車の採用事例がある。。DT139はDT138をベースとし、曲線通過に考慮して200 mm横動できるようになっており、台車枕ばね上面と車体横梁下面との間にコロを設置している交直流電気機関車 EF81、p.37。。
旅客列車のための装備として、暖房電源の供給設備を搭載する。交流区間では主変圧器の3次巻線から、直流区間では前述のようにサイリスタインバータから電源を供給する。これは使用対象区間の日本海縦貫線で運用される客車が電気暖房（電暖、EG）を用いていたためだが、終始トラブルと無縁ではなかった。車体側面の乗務員扉隣接部には暖房電源供給確認用の表示灯を設置している。
電気暖房用であるKE3H、20系客車との電話連絡用であるKE59H、電磁指令ブレーキ用のKE72Hジャンパ連結器が備わる。ヒーター内蔵のため、形式名にHが付加されている。加えて、カヤ21形以外の電源車を連結する20系客車や10000系高速貨車の牽引時に必要となる元空気溜引き通し管 (MRP)及びKE72Hジャンパ連結器内の連絡電話回路も装備しており、連結機能については直流機のEF65形500・1000番台や交流機のED75形1000番台などのいわゆるP形の仕様に相当する機能が与えられている。
ただし、連結器はEF65形500番台やEF66形とは異なっており、MRPやブレーキ管を併設した密着自動連結器ではなく通常の並形自動連結器を装着する。また、釣り合い空気管などの重連総括制御に必要な空気管・電気連結器は後述する重連対応の300・400・450番台のみ設置されている。
形態区分 基本番台（0番台） 本形式の一般仕様車で、1968年から1979年に152両が新製されたEF81 全機データバンク,作成／石堂亮太、pp.19-20間の見開き。。
1 - 38 thumb|240px|right|EF81 2JR貨物所属の更新工事施工機で、側面下部全周に白線を巻く。（2008年3月29日 島本駅）
1968年から1969年（昭和44年）に製作された。
1 糸魚川 - 直江津間電化開業を名目として、昭和42年度第3次債務で製造された量産先行車である交直流電気機関車 EF81、p.110。。富山第二機関区に配置された。 正面下部左側にAW-5タイフォンを装備していたことが外観上の大きな特徴であった交直流電気機関車 EF81、p.59。正面タイフォンは後年の改造で撤去された。。 2 - 28 北陸本線・信越本線糸魚川 - 宮内間電化開業を名目として、昭和43年度第4次債務で製造された量産機である交直流電気機関車 EF81、p.111。。全機が富山第二機関区に配置された。 1の運用結果を基に各部の改良が行われ、抵抗バーニア制御器がCS36からCS36Aに、転換・界磁制御器がCS37からCS37Aに変更された。主整流器はサイリスタインバータの制御回路改善によりRS36からRS36Aに変更された交直流電気機関車 EF81、p.58。。主抵抗器は容量増大によりMR102Aに変更され、屋根上の抵抗器カバーの形状が変更されている。量産先行機において、空転時の再粘着方式は再粘着ブレーキ・ノッチ止め、再粘着ブレーキ・ノッチ戻し、ノッチ戻しのみの3種の比較検討がなされ、量産機では再粘着ブレーキ・ノッチ止め方式が採用された。 正面中位の左右には通風孔を設け、車両番号はステンレスの切抜き文字を車体に直付けする後年の改造でブロック式ナンバープレート取付となった車両も一部に存在する。。 29 - 38 日本海縦貫線貨物列車増発用を名目として、昭和43年度第5次債務で製造された。全機が富山第二機関区に配置された。 スノープラウの材質が2.3 mm鋼板および型鋼の組み合わせから、6 mm厚鋼板に変更されている交直流電気機関車 EF81、p.60。。
39 - 136 thumb|240px|right|EF81 125
1972年（昭和47年）から1977年（昭和52年）に製作された。
39 - 41 羽越本線電化開業の先行制作車を名目として、昭和46年度第1次債務で製造された。39は富山第二機関区に、40・41は長岡運転区当初は酒田機関区配置予定であったが、電気機関車用設備が完成していなかったことから暫定的に長岡区に配置された。 に配置された。 38までと比べて大きな変更が施されている。外観上は正面の通風孔がなくなり、屋根上の機器カバー形状が変更された。標識灯は電球交換を車体外側から行う「外ハメ式」に変更し小型化した。車両番号は文字表記を一体化したブロックプレートとされた。主制御器や主抵抗器・単位スイッチなど内部機器の仕様を改良し、運転台は計器盤などの操作機器や内装に人間工学に基づく改良がなされた。本区分以降、20系客車用のKE59Hジャンパ連結器は廃止されている。加えて、一人乗務に備えてEB装置・TE装置が設置された。 42 - 74 羽越本線電化開業用を名目として、昭和46年度第2次債務で製造された。42 - 48・61 - 64は前述の理由から長岡運転区に配置され、酒田区の電気機関車用設備の完成後に酒田区に転属している。49 - 60・65 - 74は酒田機関区に配置された。 パンタグラフ断流器が誤作動保護回路装置を内蔵したものに変更され、EF81 47以降は電暖表示灯の電球交換を車体内側から行う方式に改めた。外観上では縦型の台形になっている。 75 - 93 日本海縦貫線フレートライナー増発用（7両）、上野 - 秋田間寝台列車増発用（1両）、東北本線フレートライナー増発用および補機増強用ここでの補機とはED75形を示す。田端区に本形式を配置し、EF80形4両を内郷区に転属させ、内郷区のED75形8両を盛岡（5両）と青森（3両）に転属させた。（11両）を名目として、昭和48年度民有で製造された。75 - 78は酒田機関区に、79 - 81は富山第二機関区に、82 - 93は田端機関区に配置された。このうち90は、度重なる事故被災と復旧を繰り返したため、廃車時には新造当時の部品を1つも含んでいなかったという希有な経歴を持つ車両である経緯。 抵抗バーニア制御器がCS36BからCS36Cに変更され、一部機器の非PCB化が行われた交直流電気機関車 EF81、p.112。。また空転検出方式の改良が行われ、空転検出用のマグアンプが3個から6個になり、各軸独立した形になった。外観上では、屋根上の抵抗器の脱着方式の変更によって、車体高が30 mm高くなっている交直流電気機関車 EF81、p.61。。 94 - 105 常磐線寝台特急増発用および日本海縦貫線用を名目として、昭和48年度第3次民有で94 - 100が製造された。94は田端機関区に、95 - 97は富山第二機関区に、98 - 100は酒田機関区に配置された。 加えて、湖西線山科 - 近江塩津先行手配車を名目として、昭和48年度第1次債務で101 - 105が製造された。全機が敦賀第二機関区に配置された。 運転台の暖房・扇風機に改良が加えられ、乗務員の環境改善が図られた。 106 - 126 湖西線開業用を名目として湖西線開業用以外にも、老朽化の進行が著しかった初期交流機ED70形の淘汰も目的であった。、昭和48年度第2次債務および昭和49年度第1次民有で製造された交直流電気機関車 EF81、p.113。。全機が敦賀第二機関区に配置された。 直流避雷器がLA15Dに変更された。 127 - 129 羽越本線貨物列車増強用を名目として、昭和49年度第2次民有で127が製造された。酒田機関区に配置された。 加えて、寝台特急「日本海」増発による予備機確保を名目として、昭和49年度第1次債務で128・129が製造された。128が酒田機関区に、129が敦賀第二機関区に配置された。 スカート強化のため、材質が4.5 mm厚鋼板に変更され、128以降は内部の雪害対策強化が施された。127より電暖表示灯の外見が小型の台形に変更された。 130 - 134 新潟地区旧型直流機の形式改善を名目実際は首都圏EF10形淘汰を目的としており、新潟地区で運用されていたEF15形を首都圏に移動させることで淘汰を行った。 として、昭和49年度第2次民有で製造された。全機が酒田機関区に配置された。 設計変更は避雷器などの細部改良にとどまり、前ロットとの大きな差異は見られない。 135・136 1975年（昭和50年）10月に発生したEF62形の脱線による事故廃車の補充用を名目事故車の補充をEF62形で行うよりも、汎用性のある本形式で行ったほうが有利であるとの判断が働いた。 として、昭和50年度第3次債務で製造された。 台車のブレーキてこ比、金具、リード線などに小変更があったが、前ロットとの大きな差異は見られない。 なお133 - 136は、上越線運用対応として137以降に準じた改造を受けている。
137 - 152 thumb|240px|right|EF81 137（2010年8月22日 青森駅）
1979年に製作された。
新潟地区EF15形置き換え用を名目として、昭和53年度第1次民有で製造された交直流電気機関車 EF81、p.114。。全機が東新潟機関区に配置された。
136までと比較すると数多くの設計変更点が見られる。
車体構造が変更され、前面窓上には一体型の庇が設けられた。車両番号板はエッチング仕上げである。
主電動機は電機子軸の強化を目的に径を従来の120 mmから130 mmに太くしたMT52Bに、抵抗バーニア制御器、界磁・転換制御器は無給油タイプ（抵抗バーニア制御器は形式名をCS36Dに改めたが、界磁・転換制御器はSC37Bのままとされた）に変更した。また、主シリコン整流器もRS36Cに変更され、メンテナンスフリー化および絶縁対策も強化された。
台車は一般圧延鋼板から溶接構造用圧延鋼材へ材質が変更された。このほか、直流避雷器がLA16に変更され、新たに電気式速度計SRD-60が採用された。
300番台 thumb|240px|right|EF81 303（2013年3月26日 竹下駅） 関門トンネル用の特殊仕様車で、1973年（昭和48年）から1974年（昭和49年）に4両が新製された。
当時、関門トンネルで使用されていたEF30形電気機関車の増備車として製作され、全機が門司機関区に新製配置された。海水が滴下する高湿度環境の海底トンネルを含む区間で用いるため、腐食防止対策として車体外板をステンレスとしている。板厚が普通鋼製車体より薄いことから、車体下部全周に歪みを防ぐコルゲート加工を施している。コルゲートパネルの末端部（顕著なのは先頭部中央）の処理は301・302と303・304とで異なっている。なお302は国鉄時代末期の1986年（昭和61年）10月5日に、門司操車場内でED76 93と接触して2 - 4位側の側面外板を損傷したが、小倉工場での復旧の際にコルゲートのないステンレス平板で修復されている『Rail Magazine』40、ネコ・パブリッシング、1987年4月号、p.143。このため、片方の側面にのみコルゲートがある独特のスタイルとなった。本番台の車両番号は正面・側面とも縁取付の番号板となり、正面の飾り帯は装備しない。
無塗装のステンレス板に覆われた独特な外観から、愛好家からは「銀釜」と呼ばれ親しまれているJR貨物の交直流電気機関車EF81形「銀釜」など九州鉄道記念館に展示 - マイナビニュース、2019年7月26日。
走行機器は、同時期に製造されていた基本番台75以降に倣い、抵抗バーニア制御器がCS36C、界磁制御器がCS37B、主整流器はRS36Bである。ただし、運用区間が関門トンネルを通過する門司 - 下関間という短区間であったことから電気暖房用の電源 (EG) は装備せず（他線区転用を考えて搭載スペースは設けられ、代わりに死重が置かれている）、運転台側面に電暖表示灯はない。スノープラウや砂撒き管ヒーターの取り付けも見送られた。
301には製造時から砂撒き器の他に増粘着装置が取り付けられている。
当初は単機で牽引できる旅客列車中心の運用が組まれていたが、EF30形を淘汰する際に貨物列車牽引対応として重連総括制御装置を追設し、重連運用を可能とした。重連総括制御の改造内容は、後述の400番台とほぼ同じである。
1978年（昭和53年）10月のダイヤ改正に伴い、常磐線・水戸線のEF80形置き換えを目的として301・302の2両が内郷機関区へ転属した。このとき保線係員の触車事故対策として、車体を一般車と同一の赤13号に塗装され、1985年（昭和60年）に門司機関区へ復帰して以降もそのまま使用された。303・304は無塗装のままである（ただし、304は一時期一般車の飾り帯に当たる部分に水色の「ヒゲ」が描かれていた）。
2011年（平成23年）3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）に伴う日本海縦貫線の輸送量増強に伴い、303・304の2両が富山機関区に貸し出された。この貸し出しにより、関門用として製造された300番台は4両全車が東日本でも運用された経歴を持つことになる。その後、303は同年5月27日に、304は6月9日にそれぞれ門司機関区に返却されている。
400番台 thumb|240px|right|「あさかぜ」を牽引するEF81 414（1991年7月 博多駅）
サムネイル|JR貨物所属の400番台（2024年11月 香椎駅） 関門トンネル区間で使用されてきたEF30形の後継機として、基本番台を重連運用できるよう総括制御機能を付加した区分で、1986年から1987年にかけて、基本番台から14両が小倉工場で改造された。日立製作所製の中期製造機を種車とし、改造工事は2両単位で行われた。
海水が常時浸潤する海底トンネル区間対策として耐塩害措置を施され、パンタグラフに防食剤が塗られ、屋根上全面には防食効果材「ロンテックス」が塗布されている。車体は普通鋼製のままで、外部塗色は大分運転所配置の6両のみ、交流電気機関車と同じ赤2号に変更されたが、1年ほどでオリジナルと同じ赤13号に戻されている『鉄道ファン』1996年9月号、交友社、 p.61。列車暖房は使用しないため電気暖房用給電栓は撤去され、JR九州所属機は後年に車体側面の電暖表示灯も撤去している。主整流器に付随する電気暖房用のインバータと主変圧器の3次巻線は存置されている。
制御系統には重連運転に対応する諸設備を追加している。最大22 ‰勾配本形式1両の場合、起動できる列車重量の上限は650 tである。 が存在する関門トンネル区間で1200 t貨物列車を牽引するための措置で、重連総括制御装置を追設している。改造内容は制御回路および低圧補助回路などの引き通し化、運転台へ「他車主電動機電流計」の新設、本務機もしくは補機の故障時に、故障機を電気的に切り離す「制御回路開放機」が1エンド側に設置されている。また空気ブレーキも重連総括制御運転に対応するため釣り合い管が併設された。エンド間でブレーキ選択をするためのコックを重連総括制御対応のものに変更している。初期改造車は重連総括制御に支障のあるバーニア制御器・空転制御器など制御回路を中期形 (75 - ) の仕様に統一する追加改造を施し、主遮断器保持回路・パンタグラフ非常下げ回路などの取扱を統一した。ただし、最初に改造された401・402はバーニア制御器の改造が未施工で、これ以降の車両とは重連総括制御が組めなかったが、後にバーニア制御器の追加改造が行われ、重連総括制御の組み合わせの制限はなくなっている。
重連運転区間が短いことから重連総括用のジャンパ栓・ホース類は片渡り構造で追加され、運用時には機関車の向きが限定される。同様の理由から、工数削減のため正面貫通扉の設置も省略された。 409 - 414は下り側に設置の重連総括用ジャンパ栓ケーブルと線受け1か所が未取付で出場された。
落成後は門司機関区運用開始直後は重連総括制御時に初期故障が多発した。主電動機過電流検出装置（補機側）動作時に高速度遮断器がリセットしなくなる、補機故障時に制御回路を切り離すと本務機まで力行不能となる、補機コンプレッサの故障を本務機側で検知できず補機からの元空気溜込めが不能となる、などの事例があり、門司機関区で都度改修が行われている。 に8両 (401 - 408) 、大分運転所に6両 (409 - 414) が配置された。分割民営化後は、JR貨物門司機関区とJR九州大分鉄道事業部大分車両センターに配置され、関門トンネルを経由する貨物列車・寝台特急に使用されてきた。
関門トンネル区間以外では、JR貨物富山機関区に延べ4両（404・406 - 408）の配置歴がある。2007年（平成19年）3月に配置された404は富山仕様の貨物更新色に変更されて、2016年（平成28年）3月まで富山機関区に在籍し日本海縦貫線で運用されていたが、現在は門司機関区に保留車ながら戻り(2020年に運用へ復帰)、これで富山機関区に転属していた4両はすべて門司機関区に戻っている。
改造前後の番号対比 40・41・130・131・128・132・42・49 - 54・75 → 401 - 414
500番台 thumb|240px|right|EF81 5032005年5月13日 彦根駅-南彦根駅間 民営化後の貨物輸送量増加を受け、日本海縦貫線の輸送力を増強するためJR貨物が新造した一般仕様形式で、1989年（平成元年）に3両 (501 - 503) が製作された交友社『鉄道ファン』1989年5月号「JR 貨物ニューフェイス電気機関車」pp.60 - 63。。当初メーカーに対して6両 (501 - 506) の発注が内示されていたが最終発注で3両に変更されている『鉄道ファン』1990年1月号、交友社、1989年、p.74『鉄道ファン』1991年5月号、1991年、交友社、p.96。同じ記事にED79 57・58の早期完成との関連で、504 - 506に相当する車体が存在する可能性が述べられている。。1989年（平成元年）3月11日のダイヤ改正から営業運転に投入されている交友社『鉄道ファン』1989年5月号「3.11 ニューシンボルトレイン・スタート!」pp.24 - 25。。
性能や基本的な構造は基本番台の最終増備車を踏襲したが、各部の仕様を変更している。旅客列車への使用は考慮されず、電気暖房用のインバータ装置やジャンパ栓を非装備としたほか、ブレーキ装置は20系客車牽引時に必要な編成増圧機能を省略し、単機増圧機能のみを装備する『鉄道ファン』1990年1月号、交友社、1989年、pp.75 - 76。。電動機・制御機器は新たな規制への対応や機器類の有害物質排除など細部に変更が見られる。機器類では従来用いられていた補助リレーの製造中止により代替品に変更、セレン整流器がダイオード化、アスベストの排除が行われるなど、時代に合わせた設計変更がされている。